Трансформатором називається статичний електромагнітний пристрій, призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції електричної енергії змінного струму однієї напруги в електричну енергію іншої напруги, а також для перетворення числа фаз і частоти.
Трансформатори розрізняють
За рівнем потужності
Малої потужності, з номінальною потужністю 5 кВ · А і нижче у трифазних і 4 кВ · А і нижче у однофазних; силові однофазні та трифазні трансформатори більшої потужності.
За призначенням
Силові трансформатори систем енергопостачання, призначені для перетворення електричної енергії з метою її передачі і розподілу з кращими техніко-економічними показниками; трансформатори живлення – трансформатори малої потужності, призначені для перетворення напруги електричних мереж в напругу, необхідну для живлення електронної апаратури, малопотужного електричного обладнання та побутових пристроїв, статичних перетворювачів енергії і т.д.; вимірювальні трансформатори, що розширюють межі виміру амперметрів, вольтметрів і ватметрів змінного струму; імпульсні трансформатори, призначені для формування, передачі і перетворення імпульсних сигналів.
За кількістю фаз
Одно- і трифазні; трансформатори з числом фаз більше трьох зустрічаються тільки в деяких спеціальних схемах.
За кількістю обмоток у фазі
Двох- і з багатьма обмотками.
Трансформатори виготовляють з повітряним або з масляним охолодженням, кожен зі способів може бути або з природним теплообміном, або з примусовою вентиляцією. У автоматичних системах найбільш поширені однофазні та трифазні трансформатори живлення малої потужності з повітряним охолодженням.
Конструкція однофазних трансформаторів живлення
Основні частини трансформаторів – обмотки, що здійснюють електромагнітне перетворення енергії, і магнітопровід (магнітна система), виконаний з феромагнітного матеріалу і призначений для локалізації магнітного потоку і посилення електромагнітного зв'язку обмоток. Магнітопроводи трансформаторів малої потужності виготовляють з листової або стрічкової електротехнічної сталі товщиною 0,1 - 0,35 мм.
Залежно від конфігурації магнітопроводу розрізняють трансформатори стрижневого, броньового і кільцевого типів. Магнітопровід навивають з вузької стрічки на верстатах, при цьому магнітопровід броньового типу збирають з двох магнітопроводів стрижневого типу. Шари стрічки ізолюють один від одного тонким шаром оксиду, плівкою лаку або папером з метою зменшення вихрових струмів. Навиті магнітопроводи трансформаторів стержневого і броньового типів розрізають на дві половини для створення можливості монтажу на них заздалегідь намотаних обмоток. Після монтажу обмоток половини знову з'єднують і щільно стягують спеціальними обтискачами. Використання стрічки, нарізаної вздовж напрямку найбільшої магнітної проникності матеріалу, дозволяє створювати магнітопроводи, на всіх ділянках яких магнітний потік йде по шляху найменшого опору магнітного матеріалу. Ділянки магнітопроводу, на яких розташовані обмотки, називають стрижнями, інші ділянки – ярмом. Для забезпечення постійної магнітної індукції по всьому магнітопроводу у трансформаторів броньового типу ширина центрального стрижня в два рази більша, ніж бічних ділянок ярма.
Обмотка трансформатора – це сукупність витків, що утворюють електричний ланцюг, в якому підсумовується ЕРС витків. Обмотки трансформаторів стержневого і броньового типів представляють собою котушки, намотані з ізольованого дроту, в більшості випадків мідного, на ізолюючий каркас або гільзу. Окремі шари проводів ізолюють один від одного тонкою міжшаровою ізоляцією зі спеціального паперу або тканини, просоченої лаками. Між обмотками прокладають більш товсту міжобмоткову ізоляцію. Обмотки трансформатора, до яких підводиться електрична енергія, називають первинними, обмотки, від яких електрична енергія відводиться – вторинними. Якщо на стержні в межах котушки первинні та вторинні обмотки розташовуються концентрично одна поверх іншої, їх називають концентричними. При цьому у стрижневого трансформатора в котушках містяться по половині витків кожної з обмоток. Можливе роздільне розташування первинних і вторинних обмоток на кожному зі стрижнів, але магнітна зв'язка обмоток в цьому випадку погіршується.
Якщо обмотки чергуються в осьовому напрямку стрижня у вигляді окремих котушок, що мають форму дисків, їх називають почерговими. У кільцевих трансформаторах обмотки намотують безпосередньо на ізольований магнітопровід одна поверх іншої по всій довжині магнітопроводу, при цьому на внутрішній стороні кільця шарів виходить більше, ніж на зовнішній.
Підвищення електричної міцності трансформаторів та їх стійкості до механічних і атмосферних впливів досягається шляхом просочення обмоток ізоляційними лаками, компаундами або заливкою трансформаторів в епоксидну смолу. Стрижневі трансформатори мають найкращі умови охолодження через велику поверхню охолодження обмоток. Броньові трансформатори завдяки меншій кількості котушок мають менші розміри і більш прості у виготовленні. Кільцеві трансформатори відрізняються малими потоками розсіювання і низьким опором сердечника завдяки відсутності повітряних зазорів на шляху потоку, проте вони більш складні у виготовленні через неможливість попереднього намотування обмоток поза магнітопроводом.
Магнітопроводи стрижневих трансформаторів збирають з листів П-подібної форми, броньових - із Ш-подібної форми, кільцевих – з кілець.
Принцип дії трансформатора
Принцип роботи трансформатора розглянемо на прикладі однофазного трансформатора з двома обмотками, первинна обмотка якого з числом витків w1 включена в однофазну мережу змінного струму з напругою u1, а вторинна обмотка з числом витків w2 замкнута на опір навантаження Zн. Під дією прикладеної напруги u1 первинною обмоткою протікає струм i1, що створює магніторушійну силу первинної обмотки F1 = i1·w1, яка призводить до появи змінного магнітного потоку. Основна частина потоку (потік взаємоіндукції Ф0) замикається по магнітопроводі, зчіплюється з обома обмотками і наводить в них ЕРС e1 та e2. Невелика частина потоку Ф?1, названа потоком розсіювання первинної обмотки, замикається по повітрю безпосередньо навколо цієї обмотки.
У вторинній обмотці ЕРС e2 викликає струм i2, на опорі навантаження Zн знімається вихідна напруга u2 = i2·Zн і вихідна потужність P2 = u2·i2. Одночасно струм i2 створює магніторушійну силу вторинної обмотки F2 = i2·w2, напрямок якої в контурі магнітопроводу визначається за правилом Ленца. Значення потоку взаємоіндукції Ф0 визначається результуючим дією магніторушійної сили F1 і F2. В обох обмотках ЕРС взаємоіндукції визначаються відповідно до закону електромагнітної індукції:
e1 = - w1dФ0/dt; e2 = - w2dФ0/dt
Потік Ф?1 наводить ЕРС самоіндукції в первинній обмотці:
e?1 = - L?1di1/dt
де L?1 – індуктивність первинної обмотки, відповідна до потоку розсіювання.
При збільшенні струму навантаження i2 магніторушійна сила F2 прагне зменшити потік Ф0 і тим самим – ЕРС e1. Оскільки трансформатори виконують з мінімальними потоками розсіювання і мінімальним активним опором обмоток, основна частина прикладеної напруги u1 врівноважується ЕРС e1, яка спрямована в контурі обмотки зустрічно напрузі u1. При незмінній амплітуді напруги u1 струм i1 збільшується. Таким чином, приріст вихідної потужності покривається за рахунок збільшення споживаної потужності P1 = u1·i1. Збільшення струму i1 призводить до збільшення магніторушійної сили F1, і потік Ф0 відновлюється до колишнього значення. Невелике зменшення потоку може бути викликане падінням частини прикладеної напруги на опорі обмотки. Ця зміна тим більша, чим менша потужність трансформатора, однак при зміні струму навантаження від нуля (холостий хід) до номінального значення воно не перевищує декількох відсотків.
Співвідношення напруг на вході і виході трансформатора визначається в основному співвідношенням ЕРС взаємоіндукції в первинній та вторинній обмотках, яке називається теоретичним коефіцієнтом трансформації:
Kт = E1/E2 = w1/w2
Як видно, співвідношення напруг на обмотках трансформатора визначається співвідношенням кількості витків.
При проектуванні і виготовленні магнітопроводів трансформаторів слід зводити до мінімуму повітряні зазори на шляху основного магнітного потоку, так як магнітна проникність повітря значно менша від магнітної проникності феромагнітних матеріалів.
Слід зазначити, що поряд з трансформаторами, що мають фіксований коефіцієнт трансформації, випускається ряд типів трансформаторів з регульованою вторинною напругою. В основному регулювання здійснюється зміною співвідношення між числами витків первинної і вторинної обмоток. При ступінчастому регулюванні обмотка, зазвичай вторинна, має ряд відгалужень з різним числом витків. Для плавного регулювання трансформатор може бути виготовлений з ковзаючим контактом – щітками, що переміщаються неізольованою контактною доріжкою на поверхні провідників вторинної обмотки і підключають до виходу різне число витків.
Принцип роботи трифазного трансформатора
Трифазні трансформатори потужністю в одиниці і десятки кВ · А зазвичай виготовляютьт з єдиною магнітною системою фаз. В цьому випадку конструкція магнітної системи нагадує конструкцію магнітної системи однофазного броньового трансформатора з тією лише різницею, що тут поперечний переріз всіх трьох стрижнів однаковий. Основні схеми з'єднання обмоток фаз – зірка і трикутник. При схемі зірка кінці обмоток з'єднуються в загальну нульову точку, початки під'єднують до зовнішнього ланцюга. При схемі трикутник по черзі з'єднують початки і кінці обмоток фаз.
Трифазні трансформатори широко використовуються як трансформатори статичних перетворювачів, що застосовуються для живлення електроприводів.
Принцип роботи імпульсних трансформаторів
Імпульсні трансформатори застосовують в радіоелектроніці і обчислювальній техніці для перетворення короткочасних сигналів з крутими фронтами, в основному прямокутних імпульсів тривалістю до часток мікросекунди. Основна вимога до імпульсних трансформаторів, полягає в мінімальному спотворенні форми імпульсів і зниженні тривалості фронтів імпульсів. Спотворення пояснюється нелінійністю кривої намагнічування матеріалу магнітопроводу, наявністю потоків розсіювання обмотки і збільшеним, у міру зростання частоти імпульсів, впливом вихрових струмів в магнітопроводі та паразитних міжвиткових і міжобмоткових ємностей. Зокрема, електромагнітна стала часу трансформатора, що визначає тривалість фронтів імпульсу, тим більша, чим більша індуктивність розсіювання, паразитна ємність обмоток і вихрові струми. Зменшення розсіювання в імпульсних трансформаторах досягається використанням кільцевих магнітопроводів, зменшення вихрових струмів – використанням магнітопроводів з фериту або тонкої пермалоєвої стрічки, зменшення ємності – спеціальною схемою укладання проводів і металевими екранами. Лінійність намагнічування забезпечується вибором відповідного матеріалу магнітопроводу і малими значеннями індукції.
Слід мати на увазі, що трансформація прямокутних імпульсів можлива тільки в тому випадку, якщо тривалість імпульсів tі значно менша від повної електромагнітної постійної часу первинної обмотки. В іншому випадку в трансформаторі встановиться постійний потік і вихідна ЕРС буде дорівнювати нулю.
За матеріалами: uiits.miem.edu.ru.
Читайте також:
