Трансформатор

Трансформатор - это электромагнитный статический преобразователь электрической энергии при неизменной частоте.

Трансформатор состоит из двух основных частей - обмоток и сердечника.

Первичная обмотка - это обмотка, которая подключается к источнику переменной ЭДС, а вторичная обмотка - это обмотка, которая подключается к нагрузке. Обмотки трансформатора изготавливают из медного или алюминиевого провода.

Сердечние (магнитопровод) изготавливают из магнитомягкого материала, трансформаторной стали, имеющей низкую петлю намагничивания, а для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции и заключается в следующем. На сердечник наматывают две обмотки, одну из них соединяют с источником переменного ЭДС, а другую с потребителем тока (нагрузкой). Обмотка, соединенная с источником переменного ЭДС, создает в сердечнике переменный магнитный поток, который в другой обмотке индуктирует ЭДС. Причем величина ЭДС каждого витка, как и ЭДС всей обмотки, зависит от величины магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Скорость изменения магнитного потока зависит исключительно от частоты переменного тока. Постоянна для данного трансформатора также и величина магнитного потока. Поэтому в рассматриваемом трансформаторе ЭДС в каждой обмотке зависит только от количества витков в ней.

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями. Потери обусловлены явлением гистерезиса, вихревыми токами, потоками рассеивания магнитного поля и активным сопротивлением обмотки.

Потери на гистерезисе связаны с доменной структурой ферромагнитов. Если ферромагнетик поместить в переменное магнитное поле, создаваемое переменным током, то ферромагнетик будет циклически перемагничиваться с частотой переменного тока. При этом домены будут менять свою ориентацию с такой же частотой. При переориентациях совершается работа их за внутреннего трения доменов друг о друга. Эта работа вследствие внутреннего трения доменов идёт на нагревание сердечника.

Потоки рассеивания в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Потоки рассеивания составляют около 1% от основного магнитного потока трансформатора.

Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, создаются в сердечнике трансформатора. Замыкаясь в толще сердечника, эти токи нагревают его и приводят к потерям энергии. Для уменьшения этих потерь сердечник набирают из тонких, изолированных друг от друга пластин.

Напряжение на вторичной обмотке зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора и определяется коэффициентом трасформации.

k - коэффициентом трансформации

Коэффициент трансформации обычно указывается в паспорте трансформатора как отношение высшего напряжения к низшему, т. е. он всегда больше единицы. По факту коэффициент трансформации может быть больше и меньше единицы. Если со вторичной обмотки снимается напряжение, большее, чем поданное к первичной обмотке, то такой трансформатор называется повышающим. Наоборот, если со вторичной обмотки снимается напряжение, меньше первичного, то такой трансформатор называется понижающим. Каждый трансформатор может быть использован как повышающий и как понижающий.

Первичкая

обмотка

(N1 витков)

Первичкая

обмотка

(N1 витков)

Первичкая

обмотка

(N2 витков)

Первичкая

обмотка

(N2 витков)

Трасформатор работает в трех режимах - режим холостого хода, режим короткого замыкания и режим нагрузки.

Режим холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. Режим нагрузки (ходом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка с отличным от нуля сопротивлением. Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.

Трансформаторы широко используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Электрическая энергия, которая вырабатывается генераторами на электростанциях, передается к потребителям на большие расстояния. Линии, по которым электрическая энергия передается от электростанций к потребителям, называютлинии электропередачи (ЛЭП).

При передачи электроэнергии неизбежны ее потери, связанные с нагреванием проводов. Чтобы уменьшить потери энергии, необходимо уменьшить силу тока в линии передачи. При данной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличения напряжения. Для этого между генератором и линией электропередачи включают - повышающий трансформатор. А затем, между ЛЭП и потребителем электроэнергии - понижающий трансформатор.

Первичкая обмотка

Вторичная обмотка

Сердечник

Магнитный поток

Активное сопротивление обмоток создает потери за счет активных токов, нагревающие обмотки. Именно поэтому обмотки выполняют из меди и алюминия, так как эти металлы обладают наибольшей электропроводностью.

Потери энергии тратятся на нагрев трансформатора вследствие этого его не обходимо охлаждать.Система охлаждения трансформаторов бывает нескольких типов:С - сухое охлаждение, М и Ц - масляное охлаждение, Д - масляное охлаждение с воздушным дутьем и ДЦ - совместная система охлаждения.

Сплошной сердечник

Сердечник из пластин

Токи Фуко

Вперед