Как работает трансформатор: основные принципы и законы

Содержание

1. Назначение трансформаторов
2. Устройство трансформатора
3. Принцип работы трансформатора
4. Формула трансформатора
5. Идеальный трансформатор
6. Потери энергии в трансформаторе

Электрические трансформаторы переменного тока, с момента своего изобретения в 19 веке, получили широкое распространение, их можно встретить в разнообразных электронных и электрических устройствах, в системах генерации и распределения электроэнергии. Несмотря на большое разнообразие видов трансформаторов они довольно схожи по устройству и принципу действия.

Назначение трансформаторов

Электрические трансформаторы малой мощности используются в схемах питания во множестве электрических и электронных приборов, а большой мощности – для передачи электроэнергии по линиям электропередачи (ЛЭП). Электроприборы обычно требуют питания постоянным током малого напряжения, и на выпрямительное устройство необходимо подать также малое напряжение, т.е. напряжение сети переменного тока 220 вольт понижается до необходимого трансформатором блока питания.

Генераторы электрических станций вырабатывают переменное напряжение сравнительно небольшого значения – в 220, 380 или 660 вольт. Для передачи выработанной энергии на большое расстояние напряжение в ЛЭП должно составлять сотни тысяч и миллионов вольт, что требует применения трансформаторов, повышающих напряжение. Дело в том, что при повышенном напряжении в проводах ЛЭП протекают меньшие токи, и сечение проводов может быть уменьшено, что целесообразно из экономических соображений.

Напряжение ЛЭП, прежде чем попасть к потребителю (домохозяйство, квартиру или производственный цех), вновь снижается до напряжения 220 вольт посредством понижающего трансформатора на подстанции.

Трансформаторы по назначению могут быть нескольких видов:

• силовые, для передачи электроэнергии и питания потребителей (нагрузки);
• импульсные (маломощные для электронных схем);
• трансформаторы тока (для измерения тока в электрических цепях).

Устройство трансформатора

В квартиру, если нет особых требований, обычно заводится однофазная электросеть, и трансформаторы домашней техники однофазные. На предприятия, где предусмотрена работа множества трехфазных электродвигателей, заводятся все 3 фазы электросети, и трансформаторы понижающих электроподстанций всегда трехфазные. В зависимости от количества требуемых напряжений трансформаторы могут отличаться количеством обмоток; минимальное число обмоток составляет 2, чтоб мог работать однофазный трансформатор.

Для рассмотрения принципа работы трансформатора вполне достаточно рассмотреть работу однофазного трансформатора с 2 обмотками – первичной и вторичной. Состоит такой трансформатор из сердечника, изготовленного из пластин высококачественной электротехнической стали (пластины могут быть П-образные или Ш-образные с перемычками) и 2 обмоток. Обмотки трансформатора наматываются медным изолированным проводом, каждая обмотка имеет 2 вывода, и обмотки не связаны между собой электрически. Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного тока (электросети), вторичная к нагрузке. Нагрузкой может быть нагревательный элемент, электрическая лампочка, однофазный электродвигатель.

Принцип работы трансформатора

При подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного тока через обмотку протекает переменный ток величиной I1. При протекании тока через обмотку в сердечнике трансформатора индуцируется магнитный поток Ф, а поскольку магнитный поток ввиду наличия сердечника общий для обеих обмоток, во вторичной обмотке наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС).

Величина этой ЭДС, как говорит закон, зависит от соотношения витков между первичной и вторичной обмотками. Пониженным называется устройство, если число витков во вторичной менее, чем в первой. Если наоборот, то такое оборудование называют повышенным.

Выше был рассмотрен режим работы трансформатора без нагрузки; этот режим называется режимом холостого хода, при нем во вторичной обмотке ток отсутствует, а по первичной обмотке протекает небольшой ток холостого хода. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки, через вторичную обмотку протекает ток, тем больший, чем выше мощность нагрузки, и соответственно увеличивается ток в первичной обмотке. При этом напряжение на вторичной обмотке (и соответственно на нагрузке) несколько снижается за счет потерь в трансформаторе. При правильно подобранном трансформаторе это снижение составляет всего несколько процентов.

Формула трансформатора

Главная формула выглядит следующим образом:

U1/U2 =  N1/N2 = k

U2 — напряжение на вторичной обмотке

U1 — напряжение на первичной обмотке

N1 — число витков первичной обмотки

N2 — число витков вторичной обмотки

k — коэффициент трансформации

Идеальный трансформатор

В любом реальном трансформаторе существуют потери энергии, как в сердечнике, так и в обмотках. В частности, обмотки трансформатора нагреваются протекающими через них токами, эти потери мощности безвозвратны. Охарактеризовать потери в целом можно КПД трансформатора.

Потери энергии в трансформаторе

Чтобы снизить потери энергии в трансформаторе, как говорит физика, его КПД должен быть достаточно близок к 1, или 100%. Обычно КПД мощных силовых трансформаторов достаточно высок; низкий КПД свойственен маломощным трансформаторам бытовой аппаратуры. Потери энергии в сердечнике и обмотках приводят к нагреву трансформатора. Обычно трансформатор в аппаратуре располагают так, чтобы тепло рассеивалась в окружающем пространстве, для чего в корпусе аппаратуры предусматривают вентиляционные отверстия.

Теплопроводность воздуха низка, и при работе мощных трансформаторов выделяемое при их работе тепло не успевает рассеиваться, и трансформатор может перегреться, что приводит к потере обмотками изоляционных свойств. Для предотвращения перегрева в мощных трансформаторах предусмотрено масляное охлаждение – трансформатор целиком, с обмотками и сердечником, помещается в бак с трансформаторным маслом (по химическому составу это минеральное масло).

Трансформаторное масло обладает большой теплопроводностью, выделяемое обмотками тепло передается маслу, которое соприкасается со стенками бака, и в итоге тепло рассеивается в воздухе. Если существует опасность закипания масла при особо большом выделении тепла, для отведения образующихся газов в баке предусмотрены специальные отводные трубки.

Компания «РосДиплом» на протяжении 20 лет занимается студенческими работами и предлагает помощь студентам во всех областях и темах. Наши преимущества: огромный опыт работы, лучшие авторы, собранные со всех уголков России, гарантии успешной сдачи и оптимальной цены, а также индивидуальный подход к каждому клиенту.