Трансформатор устройство и принцип действия. Принцип действия трансформатора: устройство, назначение и схема конструкции

Как устроен трансформатор и как он работает. Какие бывают виды трансформаторов. Для чего применяются трансформаторы в энергетике и электронике. Какие основные части входят в конструкцию трансформатора. Как происходит преобразование напряжения и тока в трансформаторе.

Что такое трансформатор и как он работает

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования параметров переменного тока и напряжения. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Основные части конструкции трансформатора:

• Магнитопровод (сердечник) — замкнутый магнитный контур из ферромагнитного материала
• Первичная обмотка — подключается к источнику переменного тока
• Вторичная обмотка — на ней возникает трансформированное напряжение

Как работает трансформатор:

1. Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле в сердечнике
2. Магнитный поток пронизывает витки вторичной обмотки
3. Во вторичной обмотке индуцируется ЭДС (напряжение)
4. Величина напряжения на выходе зависит от соотношения числа витков обмоток

Принцип действия трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. При протекании переменного тока в первичной обмотке возникает переменное магнитное поле. Это поле, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС.

Ключевые моменты принципа действия трансформатора:

• Трансформатор работает только на переменном токе
• Магнитный поток в сердечнике создается первичной обмоткой
• Во вторичной обмотке индуцируется ЭДС за счет изменения магнитного потока
• Величина ЭДС пропорциональна числу витков обмотки
• Соотношение напряжений равно соотношению числа витков обмоток

Устройство и конструкция трансформатора

Основные элементы конструкции трансформатора:

1. Магнитопровод — изготавливается из листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм
2. Обмотки — медный или алюминиевый провод, намотанный на каркас
3. Изоляция — между обмотками и магнитопроводом
4. Система охлаждения — для отвода тепла (масляная, воздушная)
5. Выводы обмоток — для подключения к электрической цепи
6. Корпус — для защиты активной части

По конструкции магнитопровода различают:

• Стержневые трансформаторы — обмотки на вертикальных стержнях
• Броневые трансформаторы — обмотки внутри П-образного сердечника
• Тороидальные трансформаторы — кольцевой сердечник

Виды и типы трансформаторов

Трансформаторы классифицируют по различным признакам:

По назначению:

• Силовые — для передачи и распределения электроэнергии
• Измерительные — для подключения измерительных приборов
• Специальные — сварочные, печные, пусковые и др.

По числу фаз:

• Однофазные
• Трехфазные
• Многофазные

По способу охлаждения:

• Сухие — с воздушным охлаждением
• Масляные — с масляным охлаждением

По конструкции магнитопровода:

• Стержневые
• Броневые
• Тороидальные

Применение трансформаторов

Трансформаторы имеют широкое применение в энергетике и электронике:

В энергетике:

• Повышающие трансформаторы на электростанциях
• Понижающие трансформаторы на подстанциях
• Распределительные трансформаторы

В электронике:

• Блоки питания электронных устройств
• Согласование сопротивлений в радиотехнике
• Гальваническая развязка цепей

Специальные применения:

• Сварочные трансформаторы
• Печные трансформаторы
• Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Преимущества и недостатки трансформаторов

Трансформаторы обладают рядом достоинств и недостатков:

Преимущества:

• Высокий КПД (до 99%)
• Простота конструкции
• Надежность в работе
• Возможность получения различных напряжений

Недостатки:

• Работа только на переменном токе
• Потери энергии в магнитопроводе
• Большие габариты и вес мощных трансформаторов
• Необходимость охлаждения при длительной работе

Основные характеристики трансформаторов

Ключевые параметры, характеризующие работу трансформатора:

• Номинальная мощность — максимальная мощность длительной работы
• Коэффициент трансформации — отношение напряжений или числа витков обмоток
• КПД — отношение выходной мощности к входной
• Напряжение короткого замыкания — характеризует потери в обмотках
• Ток холостого хода — определяет потери в магнитопроводе

Эти параметры указываются в паспорте трансформатора и определяют его эксплуатационные свойства.

Автотрансформаторы: особенности конструкции и применения

Автотрансформатор — это особый вид трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки имеют общую часть. Такая конструкция имеет ряд особенностей:

• Меньшие габариты и вес по сравнению с обычным трансформатором той же мощности
• Более высокий КПД при небольших коэффициентах трансформации
• Возможность плавной регулировки выходного напряжения
• Отсутствие гальванической развязки между обмотками

Автотрансформаторы применяются:

• Для плавного регулирования напряжения (ЛАТРы)
• В пусковых устройствах электродвигателей
• Для согласования напряжений в линиях электропередач

Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Измерительные трансформаторы используются для подключения измерительных приборов и устройств релейной защиты в высоковольтных цепях. Они обеспечивают:

• Снижение величин тока и напряжения до уровней, приемлемых для измерительных приборов
• Гальваническую развязку измерительных цепей от силовых
• Стандартизацию измерительных систем

Особенности измерительных трансформаторов:

• Высокая точность преобразования
• Стандартные значения вторичных токов (1 или 5 А) и напряжений (100 В)
• Возможность одновременного подключения нескольких приборов

Современные тенденции в развитии трансформаторов

Основные направления совершенствования трансформаторов:

• Применение аморфных сплавов для магнитопроводов
• Использование высокотемпературных сверхпроводников
• Разработка «умных» трансформаторов с системами мониторинга
• Создание трансформаторов с повышенной экологической безопасностью
• Миниатюризация трансформаторов для электронных устройств

Эти инновации направлены на повышение эффективности, надежности и экологичности трансформаторов.

принцип работы и типы приборов

Трансформатор — незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой — трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

 

Что такое трансформатор

Так называют устройство, изменяющее величину переменного электрического напряжения. Существуют разновидности, способные менять и его частоту.

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

• уменьшаются потери в проводах;
• требуются провода меньшего сечения.

В городских электросетях напряжение снова уменьшается до величины в 6,1 кВ, опять же с использованием трансформатора. В распределительных сетях, раздающих электричество потребителям, напряжение понижают до 0,4 кВ (это привычные нам 380/220 В).

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

Как работает трансформатор

При протекании через катушку постоянного тока параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

где,

• W1 и W2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках;
• U1 и U2 — напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке — трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 — мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I, получим:

• U1 * I1 = U2 * I2;
• I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Это означает:

• в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
• с повышающими трансформаторами (Кт < 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Данное обстоятельство учитывают при подборе сечения проводов для обмоток аппаратов.

Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод — деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи — они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

• рядом;
• наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

Конструкция трансформатора

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

1. рассеивание магнитного поля;
2. нагрев проводов и магнитопровода;
3. гистерезис.

Потери на гистерезис — это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

• холостого хода;
• короткозамкнутый;
• с нагрузкой.

В некоторых разновидностях трансформаторов, работающих с напряжением высокой частоты, магнитопровод отсутствует.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

• КПД устройства;
• коэффициент трансформации;
• потери в магнитопроводе (на языке профессионалов — потери в стали).

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Такое подключение позволяет определить потери на нагрев обмоток (потери в меди). Это необходимо при реализации схем с применением вместо реального трансформатора активного сопротивления.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

1. естественное: для маломощных моделей;
2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Автотрансформатор

У этой разновидности между первичной и вторичной обмотками имеется электрический контакт. При намотке провода делают несколько выводов — при переключении между ними задействуется разное число витков, отчего меняется коэффициент трансформации.

Достоинства автотрансформатора:

• Повышенный КПД. Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
• Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую –  с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

Трансформатор тока

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями — почти короткое замыкание. У большинства токовых трансформаторов величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

Данное устройство:

• понижает напряжение;
• рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

• выпрямляется посредством диодного моста;
• в инверторе — управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами — снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях— в ванных и пр.

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

Мощность трансформатора принято обозначать в вольт-амперах (ВА). По данному признаку устройства классифицируются так:

• маломощные: менее 100 ВА;
• средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Принцип действия трансформатора — устройство и назначение, схема конструкции

Трансформатор – это электрическая статическая машина, предназначаемая для изменения характеристик напряжения или тока. Название говорящее – трансформировать – значит преобразовывать. Впрочем, трансформации подвергаются только силовые характеристики тока, частота и форма при этом не изменяются.

• Принцип работы и область применения ↓
• Устройство ↓
• Магнитная схема ↓
• Обмотки ↓
• Виды преобразователей ↓
• Силовой трансформатор ↓
• Автотрансформатор ↓
• Трансформатор напряжения ↓
• Трансформаторы тока ↓
• Разделительные трансформаторы ↓
• Импульсные преобразователи ↓
• Согласующие трансформаторы ↓
• Пик-трансформатор ↓
• Сдвоенный дроссель ↓

Состоит эта машина из нескольких основных частей:

1. Корпус или магнитопровод – представляет собой сердечник из металлических пластинок, плотно сжатых между собой, изготавливаются из мягкой трансформаторной стали, а в отдельных случаях, из специального состава ферромагнетика.
2. Первичной обмотки – катушка, размещенная на магнитопроводе, по ней пропускается ток, характеристики которого нужно изменить;
3. Вторичная обмотка – также катушка, но с проводами других характеристик, в которой индуцируется ток с другими, заранее рассчитанными параметрами.

Принцип работы и область применения

В электромагнитную схему трансформатора входят две обмотки и замкнутый сердечник, выполняемый из трансформаторных листовых материалов. Ток, проходящий по первичной катушке, возбуждает в сердечнике электромагнитную индукцию.

Пересекая провода вторичной катушки, она индуцирует в ней ток, соответствующий параметрам вторичной обмотки. Таких катушек может быть несколько с разными характеристиками (количество витков, сечение провода, материал), соответственно и результат индукции будет различным.

Трансформаторы используются в энергообеспечении народного хозяйства в различных областях:

1. Для передачи и преобразования электроэнергии:
   • Передача электроэнергии на далекие расстояния и ее разделение между пользователями. Передача электричества по сетям непосредственно после генерации связана с большими его потерями. Генераторы дают напряжение 6-24 кВ, а передача, во избежание потерь, осуществляется при напряжении от 110 до 750 кВ. Для получения таких характеристик применяются повышающие трансформаторы.
   • Когда электроэнергия по ЛЭП доходит до потребителя, она поступает на понижающие трансформаторные станции, где производится понижение напряжения и мощности в соответствии с потребностями для группы потребителей, а затем распределяется на другие трансформаторные подстанции, например, районного значения. Дальнейшее распределение энергии зависит от потребности того или иного объекта или их группы.
2. Для правильного включения вентилей в преобразователях, что позволяет согласовать величину напряжения на выходах и входах устройства. Их название – преобразовательные.
3. Для выполнения различных операций технологических процессов, например – сварки, в электролизных производствах, в обеспечении работы электросталеплавильных агрегатов и других.
4. Обеспечение работы схем и приборов радиоаппаратуры, электроники, средств связи, бытового электрооборудования и многого прочего.
5. Для подключения электроизмерительных приборов и отдельных аппаратов (реле, коммандеры и др.) в цепи высокого напряжения для обеспечения измерений и электробезопасности объектов. Такие трансформаторы образуют отдельный класс – измерительные.

Устройство

Магнитная схема

Сердечник трансформатора

Конфигурация магнитной схемы разделяет эти устройства на три класса:

• тороидальные;
• броневые;
• стержневые;

Стержень представляет собой ту часть магнитопровода, на которой размещены обмотки, остальная часть называется «ярмо». В виде стержневых изготавливаются трансформаторы большой и средней мощности.

Это связано также с более простой схемой охлаждения такой машины. Магнитопроводы обычно производятся из листовой электротехнической стали толщиной 0,25-0,5 мм. Листовые детали соединяются между собой электротехническим изолирующим лаком. Это делается для уменьшения влияния вихревых токов на работу магнитопровода.

Маломощные и микротрансформаторы обычно производят броневыми, поскольку они в изготовлении дешевле стержневых из-за меньшего числа катушек и технологичности изготовления.

Одним из преимуществ тороидальных трансформаторов является магнитная схема без зазоров. Этим обусловлено низкое магнитное сопротивление магнитопровода таких преобразователей.

Обмотки

Чем ближе расположены обмотки по отношению друг к другу, тем надежнее магнитная связь между ними. Поэтому их принято наматывать одну поверх другой. Такие катушки называются концентрическими.

В зависимости от конструкции, обмотки могут быть расположены последовательно. Эти называются дисковыми. Исполнение зависит от особенностей трансформатора и его назначения.

Мощные статические машины выделяют много тепла и нуждаются в интенсивном охлаждении.

Виды преобразователей

Силовой трансформатор

Предназначается для изменения параметров потока электричества в сетях, используемых для потребления. Необходимость их использования связана с потребностью понижения мощности (до 760 кВ) подводящих сетей в потребительскую мощность городского хозяйства (220/380 В). Силовой преобразователь переменного тока предназначается для изменения силы тока прямым воздействием в сети.

Автотрансформатор

Отличен от предыдущего тем, что обмотки в нем соединяются не только через индукционные потоки, но и непосредственно одна с другой. Вторичная обмотка имеет несколько выводов (но не менее трех), подключение к ним в различных комбинациях ведет к получению различного напряжения.

Преимуществом такой конструкции является повышенный КПД устройства, потому что изменению подвергается только часть энергии. Это эффективно при небольшом различии напряжений на входе и выходе.

Несовершенство этих устройств состоит в том, что между обмотками нет изоляции. Применение оправдано при надежном заземлении в сетях до 115 кВ и небольшим коэффициентом трансформации – в пределах 3-4 раз. Габаритные размеры магнитопровода и обмоток у таких машин меньше, следовательно, они экономичнее в производстве.

Трансформатор напряжения

Этот вид преобразователя питается от соответствующего источника. Применяется обычно для изменения высокого напряжения на пониженное в цепях автоматики или релейной защиты. Использование связано с необходимостью ограждения низковольтных участков схем от повышенного напряжения.

Трансформаторы тока

Здесь первичная катушка получает питание от источника тока. Применяется для понижения тока в устройствах релейной защиты и измерителях. Вместе с тем, производится гальваническая развязка. Как правило, ток на вторичной катушке составляет величину 1А или 5А.

Первичную катушку включают в одну цепь с нагружением, подлежащем контролю, а к вторичной катушке подключаются приборы контроля, либо релейные устройства. Идеальный режим работы вторичной обмотки близок к короткому замыканию. Если происходит замыкание вторичной катушки, возникающее напряжение настолько велико, что повреждает подключенные к ней элементы.

Разделительные трансформаторы

Обмотки таких машин не связаны между собой. Такие преобразователи применяются для улучшения условий безопасности функционирования сетей при замыкании, срабатывает гальваническая развязка.

Импульсные преобразователи

Предназначаются для реформирования сигналов в виде коротких (до 10 миллисекунд) импульсов с максимальным сохранением их формы. В основном применяется для передачи импульсов, характерных прямоугольной формой. Как правило, главное требование к этому преобразователю – передача кратковременного импульса в максимально сохраненной форме, при этом, изменение его амплитуды и полярности несущественно.

Согласующие трансформаторы

Используются при согласовании нагрузок различных участков с максимальным сохранением формы сигнала. Вместе с тем, использование такого преобразователя дает гальваническую развязку разных участков электронных схем.

Пик-трансформатор

Машина, обеспечивающая изменение синусоидальных напряжений в импульсные. При этом, происходит изменение полярности в каждом полупериоде.

Сдвоенный дроссель

Конструктивно выполняется в виде преобразователя с одинаковыми обмотками. Учитывая индуктивное влияние катушек друг на друга, он заметно эффективнее обычного дросселя. Распространены как входные фильтры БП блоков питания в звуковых схемах.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Трансформаторы – Принцип работы – Электрические…

Трансформатор – это устройство, которое соединяет две электрические цепи через общее магнитное поле. Трансформаторы используются для преобразования импеданса, преобразования уровня напряжения, изоляции цепей, преобразования между несимметричными и дифференциальными режимами сигнала и других приложений. ¹ В основе электромагнитного принципа лежит закон Фарадея (раздел 8.3) – в частности, ЭДС трансформатора.

Основные характеристики трансформатора можно определить в результате простого эксперимента, показанного на рисунках 8.5.1 и 8.5.2. В этом опыте две катушки расположены вдоль общей оси. Шаг намотки мал, так что все силовые линии магнитного поля проходят по длине катушки, а между витками не проходят никакие линии. Для дальнейшего сдерживания магнитного поля мы предполагаем, что обе катушки намотаны на один и тот же сердечник, состоящий из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Верхняя катушка имеет

витка, а нижняя катушка имеет

витка.

В части I этого эксперимента (рис. 8.5.1) верхняя катушка подключена к источнику синусоидально изменяющегося напряжения

, в котором нижний индекс относится к катушке, а верхний индекс относится к «Части I» этого эксперимента. Источник напряжения создает ток в катушке, который, в свою очередь, создает переменное во времени магнитное поле

в сердечнике.

Рисунок 8.5.1: Часть I эксперимента, демонстрирующего соединение электрических цепей с помощью трансформатора.

Нижняя катушка имеет

витков, намотанных в направлении, противоположном , и имеет разомкнутую цепь. Учитывая близкое расположение обмоток и использование сердечника с высокой магнитной проницаемостью, примем, что магнитное поле в нижней катушке равно

, создаваемое в верхней катушке. Потенциал, наведенный в нижней катушке, равен

с опорной полярностью, указанной на рисунке. Из закона Фарадея имеем

(8.5.1)

, где

— поток через один виток нижней катушки. Таким образом:

(8.5.2)

Обратите внимание, что направление

определяется полярностью, которую мы выбрали для

.

Во второй части эксперимента (рис. 8.5.2) вносим следующие изменения. Подаем напряжение

на нижнюю катушку и размыкаем верхнюю катушку. Далее подгоняем

так, чтобы индукционная магнитная индукция снова была

– то есть равная полю в части I эксперимента.

Рисунок 8.5.2: Часть II эксперимента, демонстрирующего соединение электрических цепей с помощью трансформатора

Теперь у нас есть

(8.5.3)

, что равно

(8.5.4)

знак минус в интеграле. Тогда мы имеем

. Сравнивая это с уравнениями 8.5.1 и 8.5.2, мы видим, что мы можем переписать это в терминах потока в нижней катушке в первой части эксперимента:

Фактически, мы можем выразить это в виде термины потенциал в части I эксперимента:

(8.5.7)

Мы обнаружили, что потенциал в верхней катушке в части II простым образом связан с потенциалом в нижней катушке в части I эксперимента. Если бы мы сначала выполнили Часть II, мы бы получили тот же результат, но с перестановкой верхних индексов. Следовательно, в целом должно быть верно — независимо от расположения оконечных устройств — что

(8.5.8)

Это выражение должно быть знакомо из теории элементарных цепей — за исключением, возможно, знака минус. Знак минус является следствием того, что витки намотаны в противоположных направлениях. Мы можем сделать приведенное выше выражение немного более общим:

(8.5.9)

, где

определяется как

, когда катушки намотаны в одном направлении, и

, когда катушки намотаны в противоположных направлениях. (Это отличное упражнение, чтобы подтвердить, что это верно, повторив приведенный выше анализ с изменением направления намотки либо для верхней, либо для нижней катушки, для которой

окажется тогда

.) Это «закон трансформатора» основы теории электрических цепей, из которых можно получить все остальные характеристики трансформаторов как устройств с двухполюсной схемой (дополнительную информацию см. в разделе 8.6).

Обобщая:

Отношение напряжений катушек в идеальном трансформаторе равно отношению витков со знаком, определяемым относительным направлением обмоток, согласно уравнению 8.5.9.

Более знакомая конструкция трансформатора показана на рис. 8.5.3 — катушки намотаны на тороидальный сердечник, а не на цилиндрический. Зачем это делать? Такое расположение ограничивает магнитное поле, связывающее две катушки с сердечником, в отличие от того, что позволяет линиям поля выходить за пределы устройства. Это ограничение важно, чтобы поля, возникающие вне трансформатора, не мешали магнитному полю, связывающему катушки, что могло бы привести к электромагнитным помехам (EMI) и проблемам с электромагнитной совместимостью (EMC). Принцип работы во всем остальном тот же.

Рисунок 8.5.3: Трансформатор выполнен в виде катушек с общим тороидальным сердечником. Здесь

. Изображение используется с разрешения (CC BY SA 3.0; BillC).

Сноски

• 1

  Дополнительные сведения об этих приложениях см. в разделе «Дополнительная информация» в конце этого раздела.
  

Дополнительное чтение

• «Трансформатор» в Википедии.
• «Балун» в Википедии.

Предыдущая страницаСледующая страница

Используйте клавиши со стрелками влево и вправо для переключения страниц.

Проведите пальцем влево и вправо для смены страниц.

8.5: Трансформаторы – принцип действия

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

24302

• Стивен В. Эллингсон
• Политехнический институт Вирджинии и Университет штата через Инициативу открытого образования технических библиотек Вирджинии

Трансформатор — это устройство, которое соединяет две электрические цепи через общее магнитное поле. Трансформаторы используются для преобразования импеданса, преобразования уровня напряжения, изоляции цепей, преобразования между несимметричными и дифференциальными режимами сигнала и других приложений. ¹ В основе электромагнитного принципа лежит закон Фарадея, в частности, ЭДС трансформатора.

Основные характеристики преобразователя можно вывести из простого эксперимента, показанного на рисунках \(\PageIndex{1}\) и \(\PageIndex{2}\). В этом опыте две катушки расположены вдоль общей оси. Шаг намотки мал, так что все силовые линии магнитного поля проходят по длине катушки, а между витками не проходят никакие линии. Для дальнейшего сдерживания магнитного поля мы предполагаем, что обе катушки намотаны на один и тот же сердечник, состоящий из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. В верхней катушке \(N_1\) витков, а в нижней катушке \(N_2\) витков. 9{(1)}\), в котором нижний индекс относится к катушке, а верхний индекс относится к «Части I» этого эксперимента. Источник напряжения создает в катушке ток, который, в свою очередь, создает в сердечнике изменяющееся во времени магнитное поле \({\bf B}\).

Нижняя катушка имеет \(N_2\) витков, намотанных в направлении, противоположном , и имеет разомкнутую цепь. {(1)}\) с опорной полярностью, указанной на рисунке. По закону Фарадея имеем 9{(1)} \end{align} \nonumber \]

Мы обнаружили, что потенциал верхней катушки в части II простым образом связан с потенциалом нижней катушки в части I эксперимента. Если бы мы сначала выполнили Часть II, мы бы получили тот же результат, но с перестановкой верхних индексов. Таким образом, в целом должно быть верно, независимо от расположения выводов, что

\[V_1 = -\frac{N_1}{N_2}V_2 \номер\]

Это выражение должно быть знакомо из теории элементарных цепей, за исключением, возможно, знака минус. Знак минус является следствием того, что витки намотаны в противоположных направлениях. Мы можем сделать приведенное выше выражение немного более общим следующим образом: определяется как \(+1\), когда катушки намотаны в одном направлении, и \(-1\), когда катушки наматываются в противоположных направлениях. (Это отличное упражнение, чтобы подтвердить, что это верно, повторив приведенный выше анализ с изменением направления намотки либо для верхней, либо для нижней катушки, для которой тогда \(p\) окажется равным \(+1\). ) Это «закон трансформатора» базовой теории электрических цепей, из которого могут быть получены все другие характеристики трансформаторов как устройств с двухполюсной схемой (см. раздел 8.6 для дальнейшего развития). Итого:

Отношение напряжений катушек в идеальном трансформаторе равно отношению витков со знаком, определяемым относительным направлением обмоток, согласно уравнению \ref{m0031_eTL}.

На рисунке \(\PageIndex{3}\) показана более знакомая конструкция трансформатора – катушки намотаны на тороидальный сердечник, а не на цилиндрический. Зачем это делать? Такое расположение ограничивает магнитное поле, связывающее две катушки с сердечником, в отличие от того, что позволяет линиям поля выходить за пределы устройства. Это ограничение важно, чтобы поля, возникающие вне трансформатора, не мешали магнитному полю, связывающему катушки, что могло бы привести к электромагнитным помехам (EMI) и проблемам с электромагнитной совместимостью (EMC). Принцип работы во всем остальном тот же.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Трансформатор, выполненный в виде катушек с общим тороидальным сердечником. Здесь \(р = +1\). (CC BY SA 3.0; BillC)

---

1. Дополнительные сведения об этих приложениях см. в разделе «Дополнительная литература» в конце этого раздела.↩

---

Эта страница под заголовком 8.5: Transformers — Principle of Operation доступна в соответствии с лицензией CC BY-SA 4.0, автором, ремиксом и/или куратором выступил Стивен У. Эллингсон (Инициатива открытых образовательных библиотек штата Вирджиния).

1. Вернуться к началу

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   Стивен В.