Трансформаторы

Трансформаторы 

30  ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

 

Первые трансформаторы с замкнутыми  сердечниками были созданы в  Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон^[. В 1885 г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений) переменного тока без изменения частоты системы (напряжения) переменного тока

Трансформа́тор Те́слы — единственное  из изобретений Николы Теслы, носящих его имя сегодня. Это  классический резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение  при высокой частоте. Оно использовалось  Теслой в нескольких размерах  и вариациях для его экспериментов. «Трансформатор Теслы» также  известен под названием «катушка  Теслы» . Прибор был создан 22 сентября 1896 года и заявлен как «Аппарат  для производства электрических  токов высокой частоты и потенциала».

Трансформатор осуществляет преобразование  напряжения переменного тока  в самых различных областях  применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

 

Конструктивно трансформатор может  состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Условное обозначение на схемах

 Устройство трансформатора.

• Две катушки с разными числами витков одеты в стальной сердечник
• Катушка, подключенная к источнику – первичная катушка. ( N¹, U¹, I¹ )
• Катушка, подключенная к потребителю – вторичная катушка. ( N², U², I² )

N-число витков. U-напряжение.   I-сила тока. 

Работа трансформатора  основана на двух базовых принципах:

• Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
• Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих  на высоких или сверхвысоких  частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Режим холостого хода

 

Данный режим характеризуется  разомкнутой вторичной цепью  трансформатора, вследствие чего  ток в ней не течёт. С помощью  опыта холостого хода можно  определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике.

Рабочий ход ( под нагрузкой)

 

 Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепью трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

Коэффициент трансформации 

 

   

 

Вывод: если K<1, если N_²>N_¹ или U_²>U_¹ , то трансформатор повышающий;

 если  K>1если N_²<N_¹ или U_²<U_¹, трансформатор понижающий.

 

 

Коэффициент трансформации  – величина, равная отношению  напряжений в первичной и вторичной  обмотках трансформатора

КПД =

 

P^1, P² - мощность

 

Мачтовая трансформаторная

подстанция с трёхфазным

 понижающим

 трансформатором.

Для трансформатора выполняется условие 

 

I_¹U_¹≈I_²U_²

 

 Во сколько раз трансформатор увеличивает напряжение во, столько же раз и уменьшает силу тока.

 

Поэтому для наиболее выгодной  транспортировки электроэнергии  в электросети многократно применяют  трансформаторы: сначала для повышения  напряжения генераторов на электростанциях  перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения  линии электропередач до приемлемого  для потребителей уровня.

 

Применение в электросетях

Поскольку потери на нагревание  провода пропорциональны квадрату  тока через провод, при передаче  электроэнергии на большое расстояние  выгодно использовать очень большие  напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности  и для уменьшения массы изоляции  в быту желательно использовать  не столь большие напряжения.

Применение в источниках  питания. Компактный трансформатор

Для питания разных узлов  электроприборов требуются самые  разнообразные напряжения. Например, в телевизоре используются напряжения  от 5 вольт, для питания микросхем  и транзисторов, до 20 киловольт, для  питания анода кинескопа. Все  эти напряжения получаются с  помощью трансформаторов (напряжение 5 вольт с помощью сетевого  трансформатора, напряжение 20 кВ с  помощью строчного трансформатора). В компьютере также необходимы  напряжения 5 и 12 вольт для питания  разных блоков. Все эти напряжения  преобразуются из напряжения  электрической сети с помощью  трансформатора со многими вторичными  обмотками.

Применение в источниках  электропитания.

Для питания разных узлов  электроприборов требуются самые  разнообразные напряжения. Блоки  электропитания в устройствах, которым  необходимо несколько напряжений  различной величины содержат  трансформаторы с несколькими  вторичными обмотками или содержат  в схеме дополнительные трансформаторы. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до нескольких киловольт (для питания анода кинескопа через умножитель напряжения).

Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово "силовой" отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями. Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП (100-750 кВ), городских электросетей (как правило 6 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).

 

2