Трансформаторы, как правило, представляют собой устройства, способные преобразовывать величины из одного значения в другое. В этой статье мы сосредоточимся на трансформаторе напряжения, который представляет собой статический электрический компонент, способный преобразовывать переменное напряжение из одного значения в другое без изменения частоты, используя принципы электромагнитной индукции.

Наверняка вы уже знаете насколько важен трансформатор в истории переменного тока. Это был главный фактор, сделавший возможным использование переменного тока. Первоначально, когда использовались системы постоянного тока, их нельзя было передавать на большие расстояния из-за потерь мощности в линиях по мере увеличения расстояния (длины), а это означало, что электростанции постоянного тока приходилось размещать повсюду, поэтому основной целью переменного тока было решение проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния. Без трансформатора это было бы невозможно, поскольку потери все равно существовали бы даже при использовании переменного тока.

При наличии трансформатора переменный ток может передаваться от генераторных станций с очень высоким напряжением, но низким током, что устраняет потери в линии (проводах) из-за значения I2R (формула для расчета мощности). Затем трансформатор используется для преобразования энергии высокого напряжения и слабого тока в энергию низкого напряжения и высокого тока для окончательного распределения внутри сообщества без изменения частоты и той же мощности, которая была передана от электростанции (P = I*V).

Чтобы лучше понять как работает трансформатор напряжения, лучше всего использовать его наиболее упрощенную модель — однофазный трансформатор.

Однофазный трансформатор

Однофазный трансформатор является наиболее распространенным типом трансформаторов напряжения. Он присутствует в большинстве «подключаемых к сети» приборов, которые мы используем дома и повсюду.

Он используется для описания принципа работы, конструкции и т. д. трансформатора, поскольку другие трансформаторы представляют собой разновидность или модификацию однофазного трансформатора. Например, некоторые люди называют трехфазный трансформатор состоящим из трех однофазных трансформаторов.

Однофазный трансформатор состоит из двух катушек/обмоток (первичной и вторичной катушки). Эти две обмотки устроены таким образом, что между ними не существует электрического соединения, поскольку они намотаны вокруг общего магнитного железа, обычно называемого сердечником трансформатора, поэтому две катушки имеют только магнитную связь между собой. Это гарантирует, что мощность передается только посредством электромагнитной индукции, а также делает трансформаторы полезными для изолирующих соединений.

Принцип работы трансформатора

Как упоминалось ранее, трансформатор состоит из двух катушек; первичная и вторичная катушки . Первичная катушка всегда представляет собой вход трансформатора, а вторичная катушка — выход трансформатора.

Два основных эффекта определяют работу трансформатора:

Во-первых, ток, текущий по проводу, создает вокруг него магнитное поле. Величина результирующего магнитного поля всегда прямо пропорциональна силе тока, проходящего через провод. Величина магнитного поля увеличивается если провод намотан в виде катушки. Это принцип, по которому первичная катушка индуцирует магнетизм. Подавая напряжение на первичную катушку, она индуцирует магнитное поле вокруг сердечника трансформатора .

Второй эффект, который в сочетании с первым объясняет принцип работы трансформатора, основан на том факте, что если проводник намотан вокруг куска магнита и магнитное поле изменяется, изменение магнитного поля вызовет ток в проводнике, величина которого будет определяться числом витков катушки проводника. Это принцип, по которому на вторичную катушку подается напряжение.

Когда на первичную катушку подается напряжение, оно создает вокруг сердечника магнитное поле, сила которого зависит от приложенного тока. Таким образом, созданное магнитное поле индуцирует ток во вторичной катушке, который зависит от величины магнитного поля и количества витков вторичной катушки.

Этот принцип работы трансформатора также объясняет, почему пришлось изобрести переменный ток, поскольку трансформатор будет работать только при изменении приложенного напряжения или тока, поскольку только тогда будут работать принципы электромагнитной индукции. Таким образом, трансформатор нельзя использовать для  преобразования постоянного тока.

Конструкция трансформатора

По сути, трансформатор состоит из двух частей, которые включают в себя: две индуктивные катушки и ламинированный стальной сердечник. Катушки изолированы друг от друга, а также изолированы для предотвращения контакта с сердечником.

Таким образом, конструкция трансформатора определяется конструкцией его катушки и его сердечника.

Ядро трансформатора

Сердечник трансформатора всегда изготавливается путем укладки вместе ламинированных стальных листов с обеспечением минимального воздушного зазора между ними. В последнее время сердечник трансформаторов всегда состоит из ламинированного стального сердечника, а не из железных сердечников, чтобы уменьшить потери из-за вихревых токов.

На выбор предлагаются три основные формы ламинированных стальных листов: E, I и L.

При укладке пластин вместе для образования сердцевины их всегда укладывают таким образом, чтобы стороны стыка чередовались. Например, если при первой сборке листы собраны лицевой стороной, то при следующей сборке они будут развернуты лицевой стороной, как показано на рисунке ниже. Это делается для предотвращения высокого сопротивления в местах соединений.

Катушка

При конструировании трансформатора очень важно указать тип трансформатора: повышающий или понижающий, поскольку это определяет количество витков, которые будут существовать в первичной или вторичной обмотке.

Типы трансформаторов

В основном существует три типа трансформаторов напряжения:

1. Понижающие трансформаторы.
2. Повышающие трансформаторы.
3. Изолирующие трансформаторы.

Понижающие трансформаторы - это трансформаторы, которые дают уменьшенное значение напряжения, приложенное к первичной обмотке на вторичной обмотке, в то время как повышающий трансформатор дает увеличенное значение напряжения, приложенного к первичной обмотке, на вторичной обмотке катушки.

Изолирующие трансформаторы — это трансформаторы, которые выдают одинаковое напряжение, приложенное к первичной и вторичной обмоткам, и поэтому в основном используются для изоляции электрических цепей.

Судя по приведенному выше объяснению, создание определенного типа трансформатора может быть достигнуто только путем проектирования количества витков в каждой из первичной и вторичной катушек, чтобы обеспечить требуемую выходную мощность; таким образом, это можно определить по соотношению витков трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора и уравнение ЭДС

Коэффициент трансформации трансформатора (n) определяется уравнением:

где n = передаточное число

           Np = количество витков в первичной обмотке

           Ns = количество витков вторичной обмотки

           Vp = напряжение, приложенное к первичной обмотке

           Vs = напряжение на вторичной обмотке

Эти отношения, описанные выше, можно использовать для расчета каждого из параметров уравнения.

Поскольку мощность остается прежней после прохождения через трансформатор, то справедливы следующие соотношения:

Приведенные формулы служат доказательством того, что трансформатор не только преобразует напряжение, но и преобразует ток.

Уравнение ЭДС

Число витков обмотки первичной или вторичной обмотки определяет величину тока, который она индуцирует. Когда ток, подаваемый на первичную обмотку, уменьшается, сила магнитного поля уменьшается, и то же самое происходит с током, индуцируемым во вторичной обмотке.

Величина напряжения, индуцируемого во вторичной обмотке, определяется уравнением:

Где N – количество витков вторичной обмотки.

Поскольку поток изменяется синусоидально, а магнитный поток равен Φ = Φ _max sinwt, то получаем:

Это уравнение известно как уравнение ЭДС трансформатора.

Где: N — количество витков в обмотке катушки,

             f - частота потока в герцах,

             Φ — плотность магнитного потока в Веберах.

Определив все эти значения, можно сконструировать трансформатор с нужными вам параметрами.

Мощность электрической энергии

Как объяснялось ранее, трансформаторы были созданы для того, чтобы гарантировать, что стоимость электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, доставляется конечным потребителям с небольшими потерями или без них, таким образом, в идеальном трансформаторе мощность на выходе (вторичной обмотке) всегда такая же, как и входная мощность. Трансформаторы, таким образом, называются устройствами постоянной мощности, хотя они и могут изменять значения напряжения и тока, но это всегда делается таким образом, чтобы мощности на его входе и выходе были равны.

Таким образом

где Ps — мощность на вторичной обмотке, а Pp — мощность на первичной обмотке.

КПД трансформатора

КПД трансформатора определяется уравнением:

Хотя выходная мощность идеального трансформатора должна быть такой же, как и входная мощность, большинство трансформаторов далеки от идеального трансформатора и испытывают потери из-за нескольких факторов:

1. Потери  в меди.
2. Гистерезисные потери.
3. Потери на вихревые токи.

1. Потери в меди

Эти потери иногда называют потерями в обмотке или потерями I ^{2 R.} Эти потери связаны с мощностью, рассеиваемой проводником, используемым для обмотки, при прохождении через него тока за счет сопротивления проводника. Величину этих потерь можно рассчитать по формуле:

2. Гистерезисные потери

Это потери, связанная с сопротивлением материалов, используемых для изготовления сердечника трансформатора. Поскольку переменный ток меняет свое направление, он оказывает влияние на внутреннюю структуру материала, используемого для изготовления сердечника, поскольку он имеет тенденцию претерпевать физические изменения, на которые также расходуется часть энергии.

3. Потери от вихревых токов

Эти потери обычно устраняют за счет использования ламинированных тонких листов стали. Потери на вихревые токи возникают из-за того, что сердечник также является проводником и будет индуцировать ЭДС во вторичной катушке. Токи, индуцированные в сердечнике согласно закону Фарадея, будут противодействовать магнитному полю и приводить к рассеиванию энергии.

Учитывая влияние этих потерь на расчеты КПД трансформатора, мы имеем:

Все параметры в этом уравнении выражены в единицах мощности.

165 просмотров