Применение электрического трансформатора, его понятие и виды

Одним из ключевых моментов в развитии электроники стало изобретение трансформатора. Трудно назвать какое-либо электротехническое устройство, в работе которого он бы не использовался. Благодаря этому простому изобретению человечество научилось управлять электроэнергией путём преобразования её параметров. Поэтому одной из главных задач в области электроники является усовершенствование радиоприбора для повышения надёжности схем электропитания.

История изобретения

Появившийся в XIX веке прибор, названный впоследствии трансформатором, является радиоэлектронным устройством, предназначенным для преобразования одних значений напряжения в другие.

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей, проводя ряд экспериментов, открыл явление электромагнитной индукции, которое послужило основой для создания трансформатора. Принцип явления основан на возникновении тока при изменении магнитного поля. Изучая электромагнетизм, учёный выявил, что электродвижущая сила (ЭДС) зависит от скорости изменения магнитного поля, ограниченного проводящим контуром. Таким образом, была открыта возможность превращать магнетизм в электричество.

Первый прототип трансформатора был создан в 1848 году немецким инженером Генрихом Румкорфом. Это устройство было названо катушкой индуктивности и позволяло преобразовывать низкое напряжение постоянной величины в высокое. Конструктивно оно состояло из железного сердечника, вокруг которого были намотаны две обмотки.

Датой же рождения преобразовательного прибора считается 30 ноября 1876 года. Именно тогда русским инженером Яблочковым был получен патент на изобретение устройства. Сконструированный им трансформатор представлял собой сердечник с намотанной на него катушкой. Первый же в классическом понимании радиоприбор был создан в Англии братьями Гопкинсонами, а через год в Венгрии учёные Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери усовершенствовали его путём использования замкнутого магнитопровода.

Существенную роль в развитии устройства сыграло применение Свинберном масленого охлаждения, повысившего надёжность и стабильность электротрансформатора. Развитие изобретения позволило изучать переменный ток, в результате чего была создана трёхфазная система, запатентованная Теслой в 1889 году.

Первоначально сердечник изготавливался в виде формы Н, пока англичанин Стэнли не предложил использовать форму Ш. Благодаря этому появилась возможность отдельно наматывать катушки, а после надевать их на сердечник. Первые образцы трансформаторов характеризовались значительными потерями мощности. Введение примесей кремния в сердечник позволило улучшить характеристики. Дальнейшее развитие технологии изготовления электрических трансформаторов сводилось к усовершенствованию материала сердечника.

Устройство и его суть

В узлах электропитания радиоэлектронных устройств для преобразования тока используются различные виды трансформаторов. В принципе их действия лежит явление электромагнитной индукции, характеризующееся преобразованием переменного тока одной разности потенциалов в другую. При этом скважность и период сигнала остаются неизменными.

Конструктивно классический трансформатор состоит из трёх частей:

• первичной обмотки;
• вторичной катушки;
• сердечника.

Обмотка, к которой подводится электрический сигнал, называется первичной, а с которой снимается — вторичной. Изготавливаются они из алюминиевой или медной проволоки. Сердечник же делается из электротехнической стали или феррита.

При работе устройства возникают вихревые токи, приводящие к нагреву магнитопровода. Это, в свою очередь, влияет на передачу энергии, приводя к её потерям. Чтобы при нагревании не происходило расплавление изоляционного слоя катушек и сплавление с пластинами, используется дополнительная изоляция как сердечника, так и обмоток.

Отдельно выделяют автотрансформаторы. Это преобразователи, состоящие из одной или нескольких катушек, соединённых электрически между собой, в результате чего действующее магнитное поле на них является общим. Сердечник для них выполняется из мягкого ферромагнетика.

Слово «трансформатор» произошло от латинского transformate, что в дословном переводе на русский язык обозначает «превращение», «преобразование». Принцип действия трансформатора основан на двух базовых положениях:

1. Переменный электрический ток образует изменяющийся магнитный поток во времени.
2. Проходя через катушку магнитное поле, наводит в ней ЭДС.

То есть используется явление электромагнетизма и электромагнитной индукции.

Суть работы электромагнитного аппарата сводится к следующему: электрический ток, изменяемый во времени по величине и направлению, поступает на первичную катушку. Проходя по ней, он создаёт переменное магнитное поле. Потоки, образующиеся от этого поля, воздействуют на вторичную обмотку, наводя в ней напряжение переменной величины. Значение этой разности потенциалов зависит от числа витков в первичной и вторичной катушках, а также скорости изменения магнитного поля.

Виды трансформаторов

Согласно определению, трансформатор (transformator) — это статический электромагнитный прибор, состоящий из нескольких катушек, располагающихся на общем магнитопроводе. Используется такое устройство как для преобразования переменного сигнала, так и для создания гальванической связи. Работает при переменном токе.

Все преобразователи классифицируются по следующим признакам:

• количеству фаз — промышленность выпускает одно- и трёхфазные конструкции;
• числу обмоток — существуют двух- или трёхобмоточные конструкции;
• виду изоляции — разделяются на сухой тип, масляный или использующий негорючее заполнение;
• по охлаждению — могут быть с естественным или искусственным его видом.

Кроме этого, бывают трансформаторы, использующие не только проволочные обмотки, но и ленточные, а также без сердечника. Последние применяются для работы на высоких частотах. Изделия характеризуются различными параметрами. Основными из них являются: мощность, коэффициенты затухания и трансформации, рабочая частота.

Мощность обозначает количество энергии, которую может пропустить через себя устройство без ухудшения характеристик. Измеряется она в ваттах и находится как сумма мощностей всех вторичных выводов. Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков вторичной обмотки к их числу в первичной катушке. Затухание же обозначает величину ослабления сигнала за счёт паразитных связей. Для неё будет верной следующая формула: η=P2/P1, где P — мощность, подводимая к устройству (P1) и снимаемая с нагрузки, подключённой к его выходу (P2).

Силовой прибор

Является одним из самых распространённых типов, выпускаемых промышленностью трансформаторов. Относится к низкочастотному виду. Используется для повышения или понижения разности потенциалов. Основное применение — аналоговые источники питания и линии электропередач. Необходимость в применении таких преобразователей заключается в использовании различных величин рабочих напряжений.

Например, ЛЭП — 35−750 кВ, городские подстанции — 6−10 кВ, электроприборы — от единиц вольт до киловольт. По своей сути является классическим трансформатором переменного тока. Изменяемый по величине сигнал, проходя через устройство, создаёт магнитное поле в каждом витке вторичной катушки, сумма напряжений которых и формирует выходное напряжение.

Форма сердечника чаще всего используется Ш-образного вида, но также может быть и тороидальной. Коэффициент полезного действия (КПД) силовых устройств составляет порядка 0,9 -0,98. Мощность, которую может преобразовать электронное устройство, определяется поперечным сечением магнитопровода, обозначаемым символом S. Количество витков соответственно находится по формуле: w = 50/S.

При нахождении мощности используется правило: токи, протекающие по обмоткам трансформатора обратно пропорциональны числу их витков. То есть коэффициент трансформации будет равен отношению Iн/Iвх или Uвх/Uн. Поэтому, изменяя число витков в катушках, легко получить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе трансформатора.

Автотрансформаторная конструкция

Отличием от других типов устройств является присутствие электрического контакта между первичной и вторичной обмоткой. В результате этого катушки связаны не только магнитным потоком, но и гальванически. Выходная обмотка имеет не меньше трёх выводов. Автотрансформаторы относятся к приборам специального назначения. В их конструкции также используется магнитопровод, на котором размещаются две обмотки. Выводы отводятся от общего контакта обмоток и их концов.

Использование нескольких выводов позволяет регулировать напряжение путём перемещения скользящего контакта, подключённого к нагрузке. Так как значения входного и выходного тока примерно совпадают друг с другом, а витки направлены встречно, то короткого замыкания не происходит.

Автотрансформаторы, или ещё их называют ЛАТРы, используются как лабораторные блоки питания. Это связано с тем, что их коэффициент трансформации делается не более двух, так как при большем значении КПД устройства значительно снижается. Высокое же его значение при коэффициенте до единицы обусловлено тем, что часть энергии не преобразовывается, а напрямую подпитывает вторичную катушку.

Кроме этого их применяют в узлах питания выпрямительных блоков, согласования телефонных линий, железнодорожных локомотивах. При изготовлении автотрансформаторов используется провод небольшого сечения и малогабаритные сердечники, что в итоге уменьшает их стоимость.

Импульсный преобразователь

Такой трансформатор предназначен для преобразования импульсного сигнала с минимальными искажениями. Используется он в автоматических и измерительных приборах, а также электронно-вычислительной технике. Работа его выглядит следующим образом.

При подаче на вход серии импульсов, характеризующихся продолжительностью L и периодом T, в первичной катушке устройства начнёт увеличиваться ток. Соответственно, его изменение будет создавать магнитное поле, меняющееся по такому же закону. В результате во вторичной обмотке возникнет ток, проявляемый также в виде импульсов.

Из-за специфики использования такие приборы обладают рядом преимуществ:

• малым весом;
• высоким КПД;
• широким диапазоном рабочих напряжений;
• высоким коэффициентом трансформации.

Существует четыре вида импульсных трансформаторов, разделяемых по виду сердечников. Они могут быть: тороидальными (круглые), броневыми (Ш-образные), стержневыми (П-образные), и бронестержневыми. По виду намотки катушки они выполняются спиральной, цилиндрической или конической формы.

Разделительный и согласующий

Разделительный тип применяется в тех случаях, в которых требуется гальванически развязать одну часть электрической сети от другой. Например, в помещениях с повышенной электробезопасностью. Их использование помогает существенно снизить вероятность поражения электрическим током при возникновении пробоя. Кроме того, разделительные конструкции устанавливаются в качестве защитных устройств в интерфейсных цепях, например, сетевые карты. Предотвращая резкие перепады входного сигнала, они предохраняют нагрузочные цепи от повреждений, а человеческий организм от удара током.

Трансформатор называется разделительным, если его вторичная катушка не заземлена, а он сам имеет коэффициент передачи равный единице. Разделение катушек в приборе происходит путём применения усиленной электроизоляции.

Согласующий же трансформатор используется при необходимости выровнять сопротивление различных частей электрической схемы. Их применяют в приборах усиления, например, микрофоны, телевизоры, приёмники. Из конструктивных особенностей выделяют, что согласующие устройства не нуждаются в толстой изоляции, а корпус чаще всего выполняется цилиндрического вида. Устройство собирается на диэлектрической подложке, на которой размещается пластина из феррита с намотанной первичной обмоткой. А затем через слой изоляции накручивается вторичная обмотка.

Измеритель тока

Им называется прибор, первичная катушка которого коммутируется напрямую к источнику тока, а вторичная — к защитным или измерительным приборам, обладающим небольшим внутренним сопротивлением. Основное назначение этого типа — измерение тока и защита. Его применение безопасно, так как первичная и вторичная цепь гальванически изолированы друг от друга.

Первичная катушка (чаще всего один виток), подключается последовательно к схеме, в которой требуется определить значение переменного тока. В итоге получается, что ток вторичной обмотки зависит от тока первичной, но при этом вторичная катушка должна быть обязательно подключена к нагрузке. Если этого не сделать, значение разности потенциалов на выходе может достичь таких значений, что пробьёт изоляцию. Кроме того, если вторичную катушку преобразователя разомкнуть, то через магнитопровод начнёт течь большой ток.

В состав трансформатора входит сердечник из шихтованной кремнистой холоднокатаной электротехнической стали. На него наматываются изолированные обмотки. Чаще всего первичную катушку делают шиной либо пропускают через сердечник проводник, на котором измеряется ток.

Сварочный аппарат

Назначение сварочных аппаратов — понижать однофазное или трёхфазное напряжение, а ток увеличивать в несколько раз. Достигается это путём секционирования отношения обмоток во входной и выходной части устройств.

Так как сварочный трансформатор относится к понижающему типу, то количество витков во вторичной обмотке у него меньше. Сила же тока регулируется путём изменения зазора между катушками. Сведение их увеличивает ток, а разведение уменьшает. Существует два режима работы устройства:

• короткое замыкание;
• холостой ход.

В первом случае выходная обмотка замыкается с источником питания (первичной катушкой). В результате возникает ток короткого замыкания, сопровождающийся значительным выделением энергии. При холостом ходе в трансформаторе создаются две силы — магнитное поле и поток рассеивания. Ответвляясь от потока магнитопровода, они образуют замкнутые линии через воздух. Результатом этих взаимодействий будет возникновение напряжения, порядка 48 вольт.

Другие типы

Кроме основных типов, существуют ещё и другие разновидности трансформаторных устройств. Они не получили широкого применения, так как разрабатывались для использования в специфических задачах. Им на смену были изобретены устройства с лучшими параметрами и характеристиками, например, трансфлюксор и используемые вместо него доменные ячейки памяти.

Можно выделить следующие дополнительные виды трансформаторов:

1. Пик-трансформатор — способен преобразовывать переменный сигнал в импульсный. Достигается это использованием сердечника переменного сечения. Первичная катушка размещается в области большого сечения, а вторичная — малого. При возникновении тока насыщение суженого участка магнитопровода возникает раньше. В итоге на выходе образуются пиковые броски напряжения — импульсы. Используются такие приборы в исследовательской технике как генераторы.
2. Сдвоенный дроссель — другое его название компенсационный фильтр. В конструкции используется две одинаковые обмотки. Принцип работы основан на возникновении взаимоиндукции. Применяются в качестве фильтров блоков питания.
3. Трансфлюксор — разрабатывался как прибор, предназначенный для хранения информации. Вызывал довольно большой интерес разработчиков ЭВМ и даже планировался использоваться на космических ракетах. Но испытания, проводимые в военно-инженерном институте радиоэлектроники Казахстана, оказались удручающими. Трансформаторлар (казахское — трансформатор) при считывании разрушал хранимые информационные блоки. Отличие же его от других видов заключалось в увеличенной намагниченности из-за использования сердечника с двумя отверстиями.
4. Вращающийся трансформатор — представляет собой прибор, сердечник которого разделён на две части. На каждой половине намотана своя обмотка. Одна из них вращается по отношению к другой, что позволяет передавать сигналы на подвижные части различных радиоустройств, например, головку видеомагнитофона.

Обозначение на схеме

Условное обозначение трансформаторов на схеме и в специализированной литературе зависит от конструктивных особенностей изображаемой модели устройства. Но в общем случае на его рисунке указывается сердечник — толстая вертикальная линия, первичная обмотка (слева) и вторичная (справа). Сами катушки изображаются параллельно сердечнику в виде полуокружностей. Их количество нигде не регламентируется. Жирная точка, стоящая у полуокружностей, обозначает начало обмотки.

При указании особенности конструкции изображение сердечника может изменяться. Так, магнитопровод с магнитным зазором выполняется линией с разрывом посредине, если сердечник изготовлен из магнитодиэлектрика, используется тонкая пунктирная линия. Если есть необходимость указать материал, из которого сделан сердечник, то сверху линии ставится символ, соответствующий таблице Менделеева, например, Cu.

Таким образом, под словом трансформатор понимается электронный аппарат, предназначенный для повышения или понижения напряжения электрического тока. Эти его свойства нашли широкое применение как в аналоговой, так и цифровой технике. При этом ключевым элементом, обеспечивающим передачу энергии от электростанций к потребителям, также является трансформатор.