Трансформаторы

 

 

 

Первые шаги к созданию трансформатора сделал Столетов Александр Григорьевич. Изучая свойства материалов он обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика. Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей. Английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора. Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

 

Яблочков Павел Николаевич
(1847-1894)
Военный инженер и предприниматель.
Родился в семье обедневшего
мелкопоместного дворянина.
Изобрёл дуговую лампу.

 

В 1848 году немецкий механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку. Она явилась прообразом трансформатора.

 

Индукционный аппарат.
Генрих ДаниэльРумкорф
1848г

 

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки. Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон.

 

Устройство трансформатора.

Две электрически изолированные катушки разместим рядом друг с другом. Приложим к одной из них переменное напряжение, возникнет меняющееся магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует напряжение во второй катушке. Величина индуцируемого напряжения зависит от величины взаимоиндукции двух катушек. Как мы уже знаем, это явление называется электромагнитной индукцией. Катушка , к которой приложено переменное напряжение, называется первичной. Другая, в которой напряжение индуцируется, называется вторичной. Сложим наши размышления вместе и получим трансформатор. Дадим краткое определение. Трансформатор - это устройство использующие явление взаимоиндукции, передающее электрическую энергию из одной цепи в другую без непосредственного контакта между ними. В некоторых трансформаторах магнитный поток замыкается по воздуху, в других - через ферромагнитный сердечник (стержневой, замкнутый, кольцевой и «Ш-образный»). В трансформаторах часто бывает несколько обмоток.

 

Каркас, на котором размещаются обмотки трансформатора, выполняется обычно из прессшпана и состоит из гильзы и щечек. В целях удешевления производства трансформаторов иногда практикуется так называемая бескаркасная намотка. При этом обмотки наматываются на гильзу, не имеющую щечек. Между слоями сбмотки кладутся прокладки из тонкой бумаги, концы которых проклеиваются. Обмотки трансформатора выполняются из медного провода с эмалевой, бумажной или шелковой изоляцией. В целях предохранения трансформатора от пробоя между слоями обмоток помещаются изолирующие   прокладки из тонкой бумаги или лакоткани. В случае проводов с эмалевой изоляцией прокладки помещают после каждого слоя, для других проводов через 3 — 5 слоев намотки. Для защиты трансформатора от влаги, после намотки катушки пропитываются специальным составом (церезин или изолирующий лак). Выводы обмоток трансформатора выполняются из мягкого многожильного провода с хорошей изоляцией.

 

Работа трансформатора.

 

Подведем к первичной обмотке I переменное напряжение от генератора, в этой обмотке, как мы знаем пойдет переменный ток. Он создаст переменное магнитное поле, с помощью которого наведется напряжение U2 во вторичной обмотке II, и если подключить к ней  Rн, то в этой нагрузке пойдет ток I2. Если U1 синусоидальное напряжение,значит U2 (наведенное) такой же формы. Наведенное напряжение зависит от скорости изменения тока. Ток I2, во вторичной обмотке II, своим магнитным полемнаводит ток I1-1 в обмотке I. Величины в первичной обмотке зависят от Rн. Чем меньше Rн, тем больше I2 (увеличивается I1-1).

 

 

Вторичная обмотка сама никакой мощности не дает, а получает ее из первичной. Мощность Р2

( потребляемая во вторичной цепи) равна мощности Р (поступающей от генератора в первичную цепь). Реально, часть ее, теряется в самом трансформаторе, и нагрузке достается меньшая мощность, чем дает генератор. Важная особенность трансформатора — напряжение U2 на вторичной обмотке (определяется самим устройством трансформатора, его коэффициентом трансформации).

Коэффициент трансформации n - это соотношение витков W1 (первичная обмотка) и W2 (вторичная обмотка). Показывает во сколько раз трансформатор повышает или понижает напряжение и ток.

 

Из сказанного следует

Из условия равенства мощностей

отношение токов будет

 

 

Сопротивление генератора (источника тока)

 

 

К генератору как бы подключена дополнительная нагрузка, называемая "вносимое сопротивление" (Rвн).

 

Главное замечание:

При приложении к трансформатору постоянного напряжения,

Э.Д.С наводиться не будет.

 

Основные типы и обмотки.

 

Тип трансформатора определяет форма магнитопровода. Обозначение сердечников состоит из букв, определяющих тип сердечника (Ш — шихтованный; Л — ленточный; О или К — кольцевой; Ш — броневой: П — стержневой), и цифр, указывающих размеры сечения стержня, несущего катушку. Первая цифра указывает на ширину этого стержня, а вторая — на толщину. Наиболее употребительными являются следующие унифицированные ряды сердечников: для трансформаторов наименьшей массы - Ш, ШЛ, ШЛМ, ШЛО, ПЛ, ПЛМ ШПР; для транстрансформаторов наименьшей стоимости - УШ, ОЛР и для малогабаритных трансформаторов - ША, ШБ и ШВ.

 

 

Цилиндрическая обмотка отличается простотой выполнения. Она может быть выполнена на каркасе или быть бескаркасной. Каркасная намотка более надежна, чем бескаркасная. При намотке на каркас (катушку) провод может укладываться или беспорядочно — намотка «внавал», «кучей», или правильными рядами — рядовая намотка. Галетная намотка  сложнее в изготовлении, но имеет более высокую электрическую прочность, меньшую собственную емкость и допускает возможность замены отдельных секций при ремонте. Поэтому она применяется для мощных выходных трансформаторов и высоковольтных дросселей.

 

Тороидальный трансформатор

 Обмотки наматываются на кольце из ленты трансформаторного железа, никаких специальных каркасов не требуется. Это приближает провод к сердечнику, диаметр витка уменьшается, что снижает общую длину провода, то есть его сопротивление.

 

Броневой трансформатор

Применяется один каркас для намотки обмоток, не требует специфического оборудования. Главный недостаток: относительно низкий коэффициент полезного действия,  ограниченное место для обмоток и плохое рассеивание тепла.

 

Стержневой трансформатор

Среднее положение между тороидальным и броневым. Количество обмоток на трансформаторе удвоено. На каждом стержне присутствует первичная (сетевая) и вторичная обмотка (их может быть несколько)

 

Импульсный преобразователь.

 

Современная техника бежит вперед, отставать не будем. Почитаем о сборке импульсных трансформаторов, которые есть в любом блоке питания. Большую пользу в расчетах  количества витков, принесет формула.

 

Вначале нужно подобрать ферритовое кольцо. Его размер  можно найти при помощи калькулятора для расчета импульсных трансформаторов (скачать в интернете не проблема) и справочника по ферритовым магнитопроводам. В окна для расчета вводим данные предполагаемого магнитопровода , чтобы определить габаритную мощность сердечника. Чем меньше кольцо, тем больше придется мотать (не забывайте об этом). Диаметр провода первичных и вторичных обмоток зависит от параметров блока питания, который вы будете собирать. Чем больше ток обмотки, тем больший потребуется диаметр провода. Ток первичной обмотки пропорцонален (равен) мощности трансформатора. Намотка импульсных трансформаторов на тороидальных магнитопроводах имеет свои особенности. При изготовлении, одна из обмоток, может недостаточно равномерно распределиться по периметру магнитопровода. Это безусловно приведет к уменьшению мощности. Точно выдерживать в любительских условиях, расчетное расстояние между витками, чтобы они уложились ровно, невозможно. Поэтому, проще всего намотать однослойную обмотку «виток к витку». Значит,  провод нужен такого диаметра, чтобы он уложился «виток к витку», в один слой, в отверстие имеющегося кольцевого сердечника. Число витков первичной обмотки не должно отличаться от расчётного.

 

 

 

 

Обозначение трансформаторов.

 

Символы катушек используют и в построении условных графических обозначений различных трансформаторов. Простейший трансформатор содержит две индуктивно связанные катушки (обмотки). Необходимое для обеспечения работоспособности некоторых устройств фазирование обмоток (т. е. порядок подключения выводов) показывают точками, обозначающими их начало. Если магнитопровод общий для всех обмоток, его изображают между их символами а если каждая из них имеет свой магнитопровод — над ними. Возможность подстройки индуктивности изменением положения сердечника показывают знаком подстроечного регулирования, пересекая им либо только изображение магнитопровода, либо одновременно символов обмоток. Трансформаторы, работающие в широкой полосе частот, обозначают буквой Т, а их обмотки - римскими цифрами.

 

Обозначение                                                    Реальный вид       

 

Иногда вместо последних для обозначения обмоток используют условную нумерацию их выводов. Число полуокружностей в символах обмоток трансформаторов может быть любым. Для уменьшения помех, проникающих из сети, между первичной и вторичными обмотками трансформаторов питания иногда помещают электростатический экран. Он представляет собой незамкнутый виток медной или алюминиевой фольги или один слой тонкого провода, соединяемый с общим проводом устройства. На схемах такой экран изображают штриховой линией, а соединение с общим проводом - поперечной черточкой на конце вывода экрана. Условное графическое обозначение трансформаторов допускается показывать повернутым на 90°. Разновидность трансформаторов - автотрансформаторы изображают на схемах, как и катушки с отводами. Возможность плавного регулирования снимаемого с них напряжения показывают знаком регулирования (стрелка).

 

Виды трансформаторов.

Силовой трансформатор

 Предназначен для транспортировки электрической энергии в электрических сетях и установках (приём и передача электрической энергии с минимальными потерями).

Трансформатор напряжения

Работает от источника напряжения.

Типичное применение - преобразование высокого напряжения в низкое. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты от цепи высокого напряжения.

Трансформатор тока

Трансформатор питающийся от источника тока.

Типичное применение - снижение первичного тока до нужной величины, используемой в цепях.

Импульсный трансформатор

Преобразует постоянное напряжение в переменное сравнительно высокой частоты (высокой по сравнения с 50 герцами промышленной сети). Габариты минимальны, хорошая стабилизация питания. Высокий КПД (85-90%), по сравнинию с обычными трансформаторными. Современная электроника без ни никуда.

Разделительный трансформатор

Первичная обмотка  электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаний к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции.Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

 Сдвоенный дроссель

Трансформатор с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель.

Пик – трансформатор

Преобразует напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение, с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.