Трансформатор

Трансформатор

Трансформатор - устройство, используемое для преобразования электрической энергии одного уровня напряжения в электрическую энергию другого уровня напряжения.

Трансформатор (от лат. Transformo - превращать) - электрический аппарат, имеющий две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем ( системы) переменного тока (ГОСТ Р52002-2003).

Трансформаторы широко применяются в линиях электропередач, в распределительных и бытовых устройствах. Передача электроэнергии происходит с меньшими потерями при высоком напряжении и малой силе тока. Поэтому обычно линии электропередач высоковольтные. Одновременно бытовые и промышленные машины требуют высокой силы тока и малого напряжения, поэтому перед употреблением электроэнергия преобразуется в низковольтную.

Трансформаторы характеризуются очень высоким КПД.

Впервые трансформаторы, как были продемонстрированы в 1882 году ^[1], хотя еще в 1876 ​​году Яблочков использовал аналогичное устройство для созданных им осветительных устройств - "свечей Яблочкова" ^{[2] [3]}. Изобретение трансформатора был важным фактором в так называемой войне токов - конкурентной борьбе за то, какой электрический ток, постоянный или переменный эффективен для массового пользования.

Схематическое строение идеального трансформатора

1. Строение и принцип действия

Обозначение трансформатора в схеме

Самый трансформатор состоит из обмоток на совместном сердечнике. Одна из обомоток подключена к источника переменного тока. Эта обмотка называется первичной. Другая обмотка, вторичная, служит источником тока для нагрузки. Создан током в первичной обмотке переменный магнитный поток вызывает появление э.д.с. во вторичной обмотке, поскольку обе обмотки имеют общее сердечника. Соотношение э.д.с. во вторичной обмотке и напряжения на первичной зависит от количества витков в обеих обмотках. В идеальном случае

,

где индексом P обозначены величины, касающиеся первичной обмотки, а индексом S - соответствующие величины для вторичной обмотки, U - напряжение, N - количество витков, I - сила тока.

Таким образом, преобразования напряжения и силы тока в трансформаторов определяется количеством витков в первичной и вторичной обмотках. Напряжение пропорционально количеству витков, тогда как сила тока обратно пропорциональна ей.

Трехфазный трансформатор

2. Потери энергии

В реальных трансформаторах энергия не передается от первичной цепи к вторичному без потерь. Существует ряд физических причин, которые предопределяют.

Одной из причин потерь является активное сопротивление обмоток. При протекании тока через трансформатор, он нагревается и отдает тепло окружающим. При высокой частоте сопротивление увеличивается благодаря скин-эффекта и эффекта близости, которые уменьшают площадь сечения проводника, через который протекает ток.

Еще одна причина потерь - перемагничивания сердечника благодаря гистерезиса. Эти потери для конкретного вещества сердечника пропорциональны частоте и зависят от пикового потока магнитного поля через сердечник.

Другое причина потерь - токи Фуко. Переменное магнитное поле в сердечнике порождает переменное вихревое электрическое поле, которое вызывает дополнительные вихревые токи, тоже приводят к нагреванию. Для уменьшения токов Фуко сердечник изготавливают из тонких пластинок, поскольку потери, связанные с токами Фуко, обратно квадратично зависят от толщины материала.

Часть энергии теряется на механические колебания. Ферромагнитный материал сердечника расширяется и сжимается в переменном магнитном поле благодаря явлению магнитострикции. Этим объясняется гудение трансформатора, сопровождающий его работу. Дополнительно, первичная и вторичная обмотка привлекаются и отталкиваются в переменном магнитном поле, заставляя также колебаться корпус трансформатора.

Магнитный поток, выходящий за пределы сердечника, сам по себе не приводит к потере энергии, но он может приводить к появлению вихревых токов Фуко в металлических деталях корпуса и крепления, что тоже приводит небольшие потери энергии.

В общем, большие трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, до 98% ^[4]. Трансформаторы с сверхпроводящих материалов могут увеличить этот коэффициент до 99,85% ^[5].

Потери в трансформаторах зависят от нагрузки. Потери без нагрузки обусловлены в основном сопротивлением обмоток, тогда как причиной потерь при полной нагрузке обычно гистерезис и вихревые токи. Потери при отсутствии нагрузки могут быть значительными, поэтому даже если к вторичной обмотке ничего не подключено, трансформаторы должны удовлетворять условиям экономной работы. Конструирование трансформаторов с малыми потерями требует большого сердечника, высококачественной электрической стали, толстых проводников, увеличивает начальные затраты, но окупается при экспуатации ^[6].

3. Разновидности

3.1. Автотрансформатор

Автотрансформатор - вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счет этого не только электромагнитную связь, но и электрический. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать различные напряжения. Преимуществом автотрансформатора есть высший КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию - это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичным и вторичным кругом. В промышленных сетях, где наличие заземления нулевого провода обязательно, этот фактор роли не играет, зато существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в результате - меньше стоимость

3.2. Трансформатор Теслы

3.2.1. Устройство и принцип действия

Трансформатор Теслы - устройство для получения высокого напряжения. Параллельно источники тока включен конденсатор небольшой емкости, рассчитанный на высокое напряжение (несколько киловольт). После конденсатора последовательно включен искровой промежуток (расторгнут провод). Затем параллельно - катушка № 1. Катушка № 1 из объединенная индуктивно с катушкой № 2 без сердечника. Один конец катушки № 2 заземлен, на конце другого расположен тороид, из которого во время работы "выскакивают" стримеры - потоки ионизированного газа (воздуха).

Если такого трансформатора подключена напряжение, то конденсатор начинает заряжаться. Зарядившсь к напряжению пробой, через искровой промежуток проходит ток, круг замыкается, образуется LC-система (система с емкостью и индуктивностью). В катушке № 2 появляется индуктивный ток. В катушке № 1 явление самоиндукции не наблюдается, поскольку когда снижается напряжение (а соответственно и сила тока), через искровой промежуток ток не идет и через угасающее магнитное поле в катушке № 2 появляется ток. Если две системы катушек и конденсатора настроены в резонанс, тогда достигается наивысшая напряжение.

Источники

• И.М. Кучерук, И.Т. Горбачук, П.П. Луцик Общий курс физики: Учебное пособие в 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. - Киев: Техника, 2006.
• Сивухин Д.В. Общий курс физики. т III. Электричество. - Москва: Наука, 1977.

5. Внешние ссылки

• Капитальный ремонт трансформаторов
• Испытания трансформаторов и реакторов

6. Сноски