Трансформатор – широко используемое устройство в области электротехники и электроники. Это электромагнитное устройство, основанное на основном принципе электромагнетизма, открытом Майклом Фарадеем. В одной из предыдущих статей на нашем сайте мы подробно рассмотрели конструкцию и работу трансформаторов. Здесь же мы рассмотрим различные типы трансформаторов, используемые в различных приложениях. Все типы трансформаторов основаны на одних и тех же принципах, но имеют разный метод конструкции.
Типы трансформаторов в зависимости от уровня напряжения
Трансформатор может иметь несколько типов конструкции. Трансформатор не имеет никакого электрического соединения с одной стороны на другую; тем не менее, две электрически независимые катушки могут проводить электричество посредством электромагнитного потока. Трансформатор может иметь несколько катушек или обмоток как на первичной, так и на вторичной стороне. В некоторых случаях имеется несколько первичных сторон, где две катушки соединены последовательно, они часто называются центральными отводами. Это состояние с центральной резьбой также можно увидеть на вторичной стороне.
Трансформаторы могут быть сконструированы таким образом, чтобы они могли преобразовывать уровень напряжения первичной стороны во вторичную. В зависимости от уровня напряжения трансформатор имеет три категории: понижающий, повышающий и изолирующий трансформатор . Для изолирующего трансформатора уровень напряжения одинаков для обеих сторон.
1. Понижающий трансформатор
Понижающий трансформатор используется как в электронике, так и в электротехнике. Понижающий трансформатор преобразует уровень первичного напряжения в более низкое напряжение на вторичном выходе. Это достигается соотношением количества витков в первичной и вторичной обмотках. У понижающих трансформаторов количество обмоток (витков) на первичной стороне больше, чем на вторичной стороне. Поэтому общее соотношение обмоток первичной и вторичной обмотки всегда остается больше 1.
В электронике многие приложения работают от напряжения 5 В, 6 В, 9 В, 12 В, 24 В или, в некоторых случаях, 48 В. Чтобы преобразовать напряжение однофазной розетки 230 В переменного тока в желаемый уровень низкого напряжения, необходимы понижающие трансформаторы. В контрольно-измерительных приборах, а также во многих типах электрического оборудования, понижающий трансформатор является основным требованием для силовой части. Они также используются в адаптерах питания и зарядных устройствах сотовых телефонов .
В электротехнике понижающие трансформаторы используются в системах распределения электроэнергии, которые работают на очень высоком напряжении, чтобы обеспечить низкие потери и экономически эффективное решение для подачи электроэнергии на большие расстояния. Для преобразования высокого напряжения в линию питания низкого напряжения используется понижающий трансформатор.
2. Повышающий трансформатор
Повышающий трансформатор полностью противоположен понижающему трансформатору. Повышающий трансформатор повышает низкое первичное напряжение до высокого вторичного напряжения. Опять же это достигается за счет соотношения коэффициентов первичной и вторичной обмоток. Для повышающего трансформатора соотношение первичной обмотки и вторичной обмотки остается меньше 1. Это означает, что количество витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной обмотке.
В электронике повышающие трансформаторы часто используются в стабилизаторах, инверторах и т. д., где низкое напряжение преобразуется в гораздо более высокое напряжение.
Повышающий трансформатор также используется в распределении электроэнергии. Для приложений, связанных с распределением электроэнергии, требуется высокое напряжение. Повышающий трансформатор используется в сети для повышения уровня напряжения перед распределением.
3. Изолирующий трансформатор
Изолирующий трансформатор не преобразует никакие уровни напряжения. Первичное напряжение и вторичное напряжение изолирующего трансформатора всегда остаются одинаковыми. Это связано с тем, что соотношение первичной и вторичной обмоток всегда равно 1. Это означает, что количество витков первичной и вторичной обмотки изолирующего трансформатора одинаково.
Изолирующий трансформатор используется для изоляции первичной и вторичной частей. Как обсуждалось ранее, трансформатор не имеет никаких электрических соединений между первичной и вторичной обмотками, он также используется в качестве изолирующего барьера, где проводимость происходит только за счет магнитного потока. Он используется в целях безопасности и для подавления передачи шума от первичного к вторичному или наоборот.
Типы трансформаторов в зависимости от материала сердечника
Трансформатор передает энергию, проводя электромагнитный поток через материал сердечника. Различные материалы сердечника создают разную плотность потока. В зависимости от материалов сердечника в силовой электронике используются несколько типов трансформаторов.
1. Трансформатор с железным сердечником
В трансформаторе с железным сердечником в качестве материала сердечника используются несколько пластин из мягкого железа. Благодаря превосходным магнитным свойствам железа потокосвязь трансформатора с железным сердечником очень высока. Таким образом, эффективность трансформатора с железным сердечником также высока.
Пластины с сердечником из мягкого железа могут быть доступны в различных формах и размерах. Катушки первичной и вторичной обмотки намотаны на катушечный формирователь. После этого формирователь катушки монтируется в пластины с сердечником из мягкого железа. В зависимости от размера и формы сердечника на рынке доступны различные типы сердечников. Немногие распространенные формы: E, I, U, L и т. д. Железные пластины тонкие, и несколько пластин сгруппированы вместе, образуя настоящее ядро. Например, сердечники типа Е изготавливаются из тонких пластин, имеющих вид буквы Е.
Трансформаторы с железным сердечником широко используются и обычно тяжелее по весу и форме.
2. Трансформатор с ферритовым сердечником
Трансформатор с ферритовым сердечником использует ферритовый сердечник из-за высокой магнитной проницаемости. Этот тип трансформатора обеспечивает очень низкие потери в высокочастотном применении. В связи с этим трансформаторы с ферритовым сердечником используются в высокочастотных приложениях, таких как импульсные источники питания (SMPS), радиочастотные приложения и т. д.
Трансформаторы с ферритовым сердечником также имеют различную форму и размеры в зависимости от требований применения. Он в основном используется в электронике, а не в электротехнике. Наиболее распространенной формой трансформатора с ферритовым сердечником является E-образный сердечник.
3. Тороидальный трансформатор с сердечником
В трансформаторе с тороидальным сердечником используется материал сердечника тороидальной формы, например железный или ферритовый сердечник. Тороиды представляют собой сердечник в форме кольца или пончика и широко используются для обеспечения превосходных электрических характеристик. Благодаря форме кольца индуктивность рассеяния очень мала и обеспечивает очень высокие индуктивность и добротность. Обмотки относительно короткие, а вес намного меньше, чем у традиционных трансформаторов того же номинала.
4. Трансформатор с воздушным сердечником
Трансформатор с воздушным сердечником не использует физический магнитный сердечник в качестве материала сердечника. Потокосцепление трансформатора с воздушным сердечником полностью выполнено с использованием воздуха.
В трансформаторе с воздушным сердечником на первичную катушку подается переменный ток, который создает вокруг нее электромагнитное поле. Когда вторичная катушка помещается внутри магнитного поля, в соответствии с законом индукции Фарадея вторичная катушка индуцируется магнитным полем, которое в дальнейшем используется для питания нагрузки.
Однако трансформатор с воздушным сердечником обеспечивает низкую взаимную индуктивность по сравнению с физическим материалом сердечника, таким как железный или ферритовый сердечник.
Он используется в портативной электронике, а также в приложениях, связанных с радиочастотами. Из-за отсутствия физического основного материала он очень легкий по весу. Правильно настроенный трансформатор с воздушным сердечником также используется в решениях для беспроводной зарядки, где первичные обмотки расположены внутри зарядного устройства, а вторичные обмотки расположены внутри целевого устройства.
Типы трансформаторов в зависимости от расположения обмоток
Трансформаторы можно классифицировать по порядку намотки. Одним из популярных типов являются трансформаторы с автоматической обмоткой.
Трансформатор с автоматической обмоткой
В рассмотренных до настоящего момента трансформаторах первичная и вторичная обмотки фиксированы, но в случае трансформатора с автоматической обмоткой первичная и вторичная обмотки могут быть соединены последовательно, а центральный узел с отводом может быть подвижным. В зависимости от положения центрального отвода вторичное напряжение может изменяться.
«Авто» — это не сокращенная форма слова «Автоматический»; скорее, это свидетельствует об одной катушке. Эта катушка образует соотношение, которое состоит из двух частей: первичной и вторичной. Положение центрального отвода определяет соотношение первичной и вторичной частей, тем самым изменяя выходное напряжение.
Наиболее распространенным применением такого трансформатора является VARIAC, прибор для получения переменного переменного тока из постоянного входного переменного тока. Он также используется в приложениях, связанных с передачей и распределением электроэнергии, где необходимо часто заменять линии высокого напряжения.
Типы трансформаторов в зависимости от использования
Также доступно несколько типов трансформаторов, которые работают в определенной области. В электронике и электротехнике несколько специальных трансформаторов используются в качестве понижающих или повышающих трансформаторов в зависимости от области применения. Таким образом, трансформаторы можно классифицировать следующим образом в зависимости от использования:
1. Энергетика.
- Силовой трансформатор
- Измерительный трансформатор
- Распределительный трансформатор
2. Электроника
- Импульсный трансформатор
- Звуковой трансформатор
1. Трансформаторы, используемые в энергетической сфере
В электротехнике раздел «Энергетика» занимается выработкой, измерением и распределением электроэнергии. Тем не менее, это очень большая область, где трансформаторы являются важной частью обеспечения безопасного преобразования энергии и успешной доставки электроэнергии на подстанцию и конечным потребителям.
Трансформаторы, используемые в силовой сфере, могут быть как наружными, так и внутренними, но в основном наружными.
(а) Силовой трансформатор
Силовые трансформаторы больше по размеру и используются для передачи энергии на подстанцию или в систему общественного электроснабжения. Этот трансформатор действует как мост между генератором электроэнергии и первичной распределительной сетью. В зависимости от номинальной мощности и технических характеристик силовые трансформаторы можно разделить на три категории: трансформаторы малой мощности, трансформаторы средней мощности и трансформаторы большой мощности. Номинальная мощность может составлять от 30 кВА до 500–700 кВА или, в некоторых случаях, быть равна или превышать 7000 кВА для силового трансформатора небольшой номинальной мощности. Силовой трансформатор средней мощности может иметь мощность до 50-100 МВА, тогда как силовые трансформаторы большой мощности способны выдерживать мощность более 100 МВА.
Из-за очень высокой выработки электроэнергии конструкция силового трансформатора также имеет решающее значение. Его конструкция включает в себя надежную изоляцию периферийных устройств и хорошо сбалансированную систему охлаждения. Наиболее распространенные силовые трансформаторы заполнены маслами.
Основной принцип силового трансформатора заключается в преобразовании высокого тока низкого напряжения в низкий ток высокого напряжения . Это необходимо для минимизации потерь мощности в системе распределения электроэнергии.
Еще одним важным параметром силового трансформатора является наличие фазы. Обычно силовые трансформаторы работают в трехфазной системе , но в некоторых случаях также используются однофазные трансформаторы малой мощности. Трехфазные силовые трансформаторы являются наиболее дорогостоящими и эффективными, однофазные силовые трансформаторы стоят существенно дешевле.
(б) Измерительный трансформатор
Измерительный трансформатор является широко используемым измерительным прибором в области мощности. Измерительный трансформатор используется для изоляции основного источника питания и преобразования тока и напряжения в меньшем соотношении во вторичный выход. Измеряя выходную мощность, можно измерить фазу, ток и напряжение фактической линии электропередачи.
(c) Распределительный трансформатор
Он используется на последнем этапе системы распределения электроэнергии. Распределительные трансформаторы представляют собой понижающие трансформаторы, которые преобразуют высокое напряжение сети в напряжение, требуемое конечным потребителем, 110 В или 230 В. Он также может быть однофазным или трехфазным.
Распределительные трансформаторы могут быть как меньшего размера, так и большего размера, в зависимости от преобразующей способности или номиналов.
Распределительные трансформаторы можно разделить на группы в зависимости от типа используемой изоляции. Он может быть сухого типа или может быть погружен в жидкость. Он изготовлен с использованием ламинированных стальных пластин, в основном имеющих С-образную форму, в качестве основного материала.
Распределительный трансформатор также имеет другой тип классификации в зависимости от места его использования. Трансформатор можно установить на опоре электросети, в этом случае его называют распределительными трансформаторами, монтируемыми на опоре. Его можно разместить внутри подземной камеры, закрепить на бетонной подушке (распределительный трансформатор, монтируемый на подставке) или внутри закрытого стального ящика.
Обычно распределительные трансформаторы имеют номинальную мощность менее 200 кВА.
2. Трансформаторы, используемые в электронике
В электронике используются различные небольшие миниатюрные трансформаторы, которые можно монтировать на печатную плату или фиксировать внутри корпуса небольшого изделия.
(а) Импульсный трансформатор
Импульсные трансформаторы являются одними из наиболее часто используемых трансформаторов, монтируемых на печатных платах, которые производят электрические импульсы постоянной амплитуды. Они используются в различных цифровых схемах, где необходима генерация импульсов в изолированной среде. Поэтому импульсные трансформаторы изолируют первичную и вторичную обмотки и распределяют первичные импульсы по вторичной цепи, часто это цифровые логические элементы или драйверы.
Правильно сконструированные импульсные трансформаторы должны иметь надлежащую гальваническую развязку, а также малую утечку и паразитную емкость.
(б) Выходной аудиотрансформатор
Аудиотрансформатор (или звуковой трансформатор) — еще один широко используемый трансформатор в области электроники. Он специально используется в приложениях, связанных с аудио, где требуется согласование импеданса. Аудиотрансформатор балансирует схему усилителя и нагрузки, в качестве которой обычно выступает громкоговоритель. Аудиотрансформатор может иметь несколько первичных и вторичных катушек, разделенных или с центральным отводом.
