Для чего нужен магнитопровод в трансформаторе

Трансформатор простыми словами

Мы привыкли к тому, что напряжение в розетке всегда 220 В. Возможно не все читатели подозревают, что прежде чем поступить к потребителю, выполнялись преобразования электрической энергии. Перед поступлением на провода ЛЭП, напряжение переменного тока увеличивали до десятков, а то и сотен киловольт, а на выходе – понижали, до привычных нам 220 В. Эти преобразования выполнили силовые трансформаторы. В данной статье я расскажу вам, что такое трансформатор простыми словами.

Потребность в преобразования переменного напряжения возникает практически на каждом шагу. Чаще всего мы испытываем необходимость в понижении напряжения, так как большинство узлов современных электронных устройств работает при низких напряжениях. Однако для некоторых цепей высоковольтных узлов требуются значительные напряжения, порядка нескольких тысяч вольт.

Рис. 1. Промышленный трансформатор

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.

Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.

Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.

По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.

С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Рисунок 2. Устройство трансформатора

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

• сталь;
• пермаллой;
• феррит.

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Рисунок 3. Внешний вид трансформатора

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W₁ / W₂, где символами W₁ и W₂ обозначено количество витков в катушках.

Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 < k < 1 – понижающий. Например, когда число витков, из которых состоит первичная обмотка, в три раза меньше количества вторичных витков, то k = 1/3, тогда U₂ = 1/3 U₁.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

• в состоянии холостого хода;
• в режиме нагрузки;
• в короткозамкнутом режиме.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.

Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.

Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.

На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки P_н= U_н× I_н, а мощность первичной катушки P_с= U_с× I_с. В идеале P_н = P_с (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = U_с / U_н = I_с / I_н , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.

Виды трансформаторов

С целью решения вопросов трансформации напряжения в различных цепях изобретены трансформаторы самых разных конструкций. Производители выбирают свои концепции магнитопроводов (см. рис. 4), которые не влияют на работу и параметры приборов:

• стержневой тип (применяется в основном для трехфазных конструкций);
• броневой тип (трехфазные аппараты);
• тороидальный тип сердечника часто используется в трансформаторах, применяемых в различных электротехнических устройствах.

Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.

Силовые

Назначения силового трансформатора понятно из названия. Термин силовые применяется к семейству моделей, как правило, большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в сетях ЛЭП и в различных обслуживающих установках.

При трансформации сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.

Силовые аппараты могут соединяться в группы с различными схемами подключения обмоток: по принципу звездочки, треугольником или зигзагом. Схема звездочка оправдана, если в трехфазных сетях нагрузка симметрическая. В противном случае предпочтения отдают треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки подмагничивают по отдельности каждый стержневой магнитопровод.

Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжений будет устранен.

Автотрансформаторы

Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки за счет их прямого соединения между собой образуют электрическую связь, называется автотрансформаторами. Характерным признаком этой группы является несколько пар выводов, к которым можно подключить нагрузку.

Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение в соединениях заземленных сетей, работающих под напряжением, превышающим 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации – не более 3 – 4.

Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.

Трансформатор тока

Напряжения

Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.

Импульсные

В работе современной электронике применяются высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделить от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов – преобразования импульсных сигналов с сохранением формы импульса.

Для высокочастотных импульсных аппаратов выдвигаются требования о максимальном сохранении формы импульса на выходе. Имеет значение именно форма, а не амплитуда и даже не знак.

Сварочные

В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.

В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.

Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.

Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе

В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.

Разделительные

Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называют резделительными трансформаторами. Силовые разделительные аппараты применяются для повышения безопасности электросетей. Другая область применения разделительных трансформаторов – обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.

Согласующие

Данные типы аппаратов применяют для согласования сопротивления каскадов электронных схем. Они обеспечивают минимальное искажение формы сигналов, создают гальванические развязки между узлами электронных устройств.

Пик-трансформаторы

Аппараты, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется через каждых полпериода.

Воздушные и масляные

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).

Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.

Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор

При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции. Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.

Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением

Сдвоенный дроссель

Конструктивно такой аппарат является трансформатором с одинаковыми катушками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. Эффективность аппарата выше, чем у дросселя (при одинаковых размерах).

Вращающиеся

Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).

Пример обозначения

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Области применения

Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.

Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.

Трансформатор

Трансформатор (от лат. transformo — преобразовывать) — электрический аппарат, состоящий из набора индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе или без него и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем(системы) переменного тока. Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины. Трансформаторы преобразуют переменный, импульсный и пульсирующий ток. Если подвести к трансформатору постоянный ток, то получится лишь раскалённый кусок провода.

Трансформаторы постоянный ток не преобразуют!

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Рис. 1 — Внешний вид трансформаторов

В бытовой электронике трансформаторы выполняют в основном две наиболее важные функции:

• Понижение переменного напряжения электрической сети 127/220В до уровня в несколько десятков или единиц вольт (5 – 48 и более вольт). Связано это с тем, что большинство бытовой электроники состоит из полупроводниковых компонентов – транзисторов, микросхем, процессоров, которые прекрасно работают при достаточно низком напряжении. Поэтому необходимо понижать напряжение до низких значений. Диапазон напряжения питания такой электроники как магнитолы, музыкальные центры, DVD – плееры, как правило, лежит в пределах 5 – 30 В. По этой причине понижающие трансформаторы заняли достойное место в бытовой электронике.
• Гальваническая развязка электрической сети 220 В от питающих цепей электроприборов. Гальваническая развязка от электросети способствует увеличению электробезопасности. В трансформаторе первичная и вторичная обмотка изолированы друг от друга. При электрическом пробое фазовое напряжение сети не попадёт на вторичную, а, следовательно, и на весь электроприбор.

Устройство трансформатора

В большинстве случаев конструктивно трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рис. 2. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II).

Рис. 2 — Устройство трансформатора

Для низкочастотных трансформаторов материалом магнитопровода служит пермаллой, трансформаторная сталь. Для более высокочастотных – феррит. У высокочастотных маломощных трансформаторов роль сердечника может выполнять воздушная среда. Дело в том, что с ростом частоты преобразования габариты магнитопровода резко уменьшаются.

Если сравнить трансформатор лампового телевизора с силовым трансформатором, который установлен в современном полупроводниковом телевизоре, то разница будет ощутима. Трансформатор лампового телевизора весит несколько килограммов, высокочастотный трансформатор современного телевизора несколько десятков или сотен граммов.

В современной электронике понижение напряжения осуществляется с помощью высокочастотых импульсных преобразователей, где трансформатор преобразует ток частотой в 20 – 40 кГц, это и позволяет уменьшить размеры магнитопровода (сердечника), снизить затраты на медный провод. В старых ламповых телевизорах трансформаторы работали на частоте 50 Гц, что вносило необходимость использовать массивные многокилограммовые трансформаторы.

Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные. Что это означает? Есть переменный ток, который течет по четырем проводам — три фазы и ноль — это и есть трехфазный электрический ток. А есть переменный ток, который течет по двум проводам — фаза и ноль — это однофазный ток. Для того, чтобы из трехфазного сделать однофазный, достаточно взять один провод трехфазного и его другой провод — ноль. Однофазный электрический ток поступает в Ваши дома. В розетке электросети переменный однофазный электрический ток 220 В.

Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U₁ , то по виткам обмотки потечет переменный ток I₀ , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Ф₀ , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – e₁ и e₂ . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U₂ , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС e₂ (рис. 3).

Рис. 3 — Работа трансформатора без нагрузки

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I₁ , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₁ изменяющийся с той же частотой, что и ток I₁ . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I₂ , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф₂ , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток (рис. 4).

Рис. 4 — Работа трансформатора с нагрузкой

В результате размагничивающего действия потока Ф₂ в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Ф₀ равный разности потоков Ф₁ и Ф₂ и являющийся частью потока Ф₁ , т.е.

Результирующий магнитный поток Ф₀ обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу e₂ , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I₂ . Именно благодаря наличию магнитного потока Ф₀ и существует ток I₂ , который будет тем больше, чем больше Ф₀ . Но и в то же время чем больше ток I₂ , тем больше противодействующий поток Ф₂ и, следовательно, меньше Ф₀ .

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф₁ и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС e₂ , тока I₂ и потока Ф₂ , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф₁ и Ф₂ не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Ф₀ , а без него не мог бы существовать поток Ф₂ и ток I₂ . Следовательно, магнитный поток Ф₁ , создаваемый первичным током I₁ , всегда больше магнитного потока Ф₂ , создаваемого вторичным током I₂ .

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение, которое выдает нам трансформатор на вторичной обмотке, зависит от количества витков, которые намотаны на первичной и вторичной обмотке!

где
U₂ — напряжение на вторичной обмотке
U₁ — напряжение на первичной обмотке
N₁ — количество витков первичной обмотки
N₂ — количество витков вторичной обмотки
I₁ — сила тока первичной обмотки
I₂ — сила тока вторичной обмотки

Из этой формулы можно сделать вывод: увеличиваем напряжение – уменьшается ток, уменьшаем напряжение – увеличивается ток.

Отношение напряжений между первичной и вторичной обмотками называют коэффициент трансформации.

В трансформаторе соблюдается закон сохранения энергии, то есть какая мощность в трансформатор заходит, такая и выходит.

Для переменного тока мощность определяется также, но только вместо постоянного напряжения берется среднеквадратичное напряжение.

Мощность трансформатора зависит от размеров сердечника, рабочей частоты преобразования.

Трансформаторы, которые выдают одинаковые напряжения на выходе и на входе, называют разделительными (развязывающими) (рис. 5).

Рис. 5 — Схематичное изображение разделительного трансформатора

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим (рис. 6). У повышающего трансформатора вторичная обмотка наматывается более тонким проводом, чем первичная, так как максимальный ток вторичной обмотки будет меньше тока первичной обмотки.

Рис. 6 — Схематичное изображение повышающего трансформатора

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим (рис. 7). Первичная обмотка понижающего трансформатора всегда будет намотана более тонким проводом, чем вторичная. Связано это с тем, что при понижении напряжения возможно увеличение тока во вторичной обмотке, следовательно, нужен провод большего сечения.

Рис. 7 — Схематичное изображение понижающего трансформатора

Магнитопровод. Магнитные материалы

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями. Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Рис. 8 — Магнитопроводы из электротехнической стали

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50–100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Рис. 9 — Магнитопроводы из сплавов с высокой магнитной проницаемостью

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Рис. 10 — Магнитопроводы из магнитомягких прессованных ферритов

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

Типы магнитопроводов

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Рис. 11 — Шихтованные магнитопроводы

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

Рис. 12 — Ленточные (витые) магнитопроводы

По конструктивному исполнению, в зависимости от типа магнитопровода, трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые трансформаторы

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Рис. 13 — Трансформатор с магнитопроводом стержневого типа

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые трансформаторы

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Рис. 14 — Трансформатор с магнитопроводом броневого типа

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные трансформаторы

Тороидальные (кольцевые) трансформаторы (рис. 15) позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Рис. 15 — Тороидальный трансформатор

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

Конструкция магнитопроводов

По конструкции магнитопровода определяется конструкция трансформатора и поэтому название магнитопровода переносится на название трансформатора. Промышленностью изготавливаются броневые, стержневые, тороидальные (кольцевые) магнитопроводы, а также магнитопроводы сложных (специальных) конфигураций.

Для изготовления большинства трансформаторов применяются магнитопроводы следующих типов: Ш – броневой магнитопровод; ШЛ – броневой ленточный магнитопровод; П – стержневой магнитопровод; ПЛ – стержневой ленточный магнитопровод; О – тороидальный магнитопровод; ОЛ – тороидальный (кольцевой) ленточный магнитопровод и т.д.

Для питания радиоэлектронной аппаратуры широкое применение нашли броневые трансформаторы типов Ш, ШЛ, О, ОЛ. В броневом трансформаторе используется всего одна катушка, расположенная на среднем стержне, и все обмотки находятся на катушке, что дает полное заполнение окна магнитопровода обмоточным проводом, частичную защиту обмоток от механических повреждений и хорошее магнитное экранирование.

Пластины, из которых собирают броневые магнитопроводы, изготавливают из листовых электротехнических сталей путем резки или штамповки. Наиболее широко используются шихтовые (пластинчатые) магнитопроводы Ш-образной формы и ленточные магнитопроводы, состоящие из отдельных частей С-образной (U-образной) формы.

Рис. 16 — Пластины для сборки магнитопроводов

Толщина листов магнитных материалов зависит от частоты, на которую рассчитывается трансформатор. Чем меньше толщина листа, тем слабее частотная зависимость проницаемости и меньше потери в магнитопроводе, но тем выше стоимость материала. Так, например, уменьшение толщины проката электротехнической стали с 0,35 до 0,05 мм повышает ее стоимость в 5 раз.

Поэтому можно считать, что для каждого типа трансформатора и диапазона частот существует оптимальная толщина, при которой обеспечиваются необходимые параметры трансформатора при наименьшей стоимости. Для выбора толщины листов (мм) можно воспользоваться следующими ориентировочными данными:

50 Гц …. 0,35 – 0,5 мм
400 – 500 Гц …. 0,1 – 0,2 мм
1000 – 2500 Гц …. 0,05 – 0,1 мм
До 100 кГц …. 0,02 – 0,05 мм.
Более высоким частотам соответствуют меньшие значения толщины листов.

Сборка магнитопроводов из штампованных пластин выполняется двумя способами: встык (с зазором) или вперекрышку (в переплет).

Сборка встык применяется для получения определенного немагнитного зазора, например, в дросселях или трансформаторах, работающих с постоянным подмагничиванием. Как правило, при сборке встык даже при очень плотном стягивании магнитопровода зазор между Ш-образными и прямоугольными пластинами получается в пределах 0,02 – 0,05 мм.

Рис. 17 — Магнитопровод с немагнитным зазором

Сборка вперекрышку применяется когда такой зазор не нужен, т.е. когда необходимо уменьшить магнитное сопротивление магнитопровода. Пластины укладываются в ряд таким образом, чтобы места стыков перекрывались пластинами следующего слоя. Причем в каждом слое укладывают пластины двух типов – одну Ш-образную и одну прямоугольную.

Рис. 18 — Сборка магнитопровода вперекрышку

Тороидальные (кольцевые) магнитопроводы собираются из отдельных штампованных колец.

Ленточные магнитопроводы изготавливают из узкой ленты электротехнической стали или специальных сплавов. Ленты набирают в пакеты разной длины и толщины, а затем пакеты гнут или навивают на оправку определенного размера: для тороидальных магнитопроводов навивают на круглую оправку, для броневых и стержневых на прямоугольную. Но из-за сложности изготовления обмоток для ленточных магнитопроводов их разрезают на две половины, что дает возможность наматывать обмотки трансформаторов отдельно и затем вставлять в них половинки магнитопровода, но при этом в магнитную цепь вводится неизбежный магнитный зазор.

Рис. 19 — Виды ленточных магнитопроводов

Так как ленточные магнитопроводы собираются в стык, то для получения наименьшего магнитного сопротивления в местах стыка их торцевые поверхности шлифуют, а при сборке обе части склеиваются специальной ферромагнитной пастой. Применение пасты позволяет понизить требования к качеству механической обработки стыков и значительно упрощает их изготовление и сборку.

Стягивание магнитопровода маломощных трансформаторов производится металлической скобой, тогда как магнитопроводы более мощных трансформаторов стягиваются специальными планками, при помощи болтов стяжек. Стягивающее устройство должно обладать необходимой механической прочностью и обеспечивать прочное соединение деталей магнитопровода.

Рис. 20 — Варианты стяжки магнитопроводов

Защита трансформаторов от климатических условий осуществляется пропиткой обмоток или пропиткой целого трансформатора изоляционными лаками. В процессе пропитки заполняются микроскопические поры изоляционных материалов, а также мелкие промежутки между витками обмоток, слоями волокнистой изоляции и конструктивными элементами трансформатора. Пропитка не только улучшает влагостойкость обмотки, но и увеличивает ее механическую и электрическую прочность, повышает допустимую температуру нагрева и теплопроводность.

Однако только одна пропитка не всегда может обеспечить полной защиты обмоток от влаги, поэтому торцы катушек дополнительно заделывают изоляционными замазками (пастами), специальными обволакивающими составами или опрессовывают. Если же трансформатор предполагается использовать в нормальных или близких к нормальным условиях, то пропитка может отсутствовать.

При повышенных требованиях к влагостойкости применяют герметизацию, которая обеспечивает полную изоляцию трансформатора от окружающей среды непроницаемой оболочкой, выполненной из металла и залитой специальным изоляционным составом, например, эпоксидными или полиуретановыми смолами.

Виды обмоток трансформаторов

Обмотки выполняется обмоточным проводом круглого сечения, покрытым эмалевой или эмалево-волокнистой изоляцией. В качестве обмоточного провода используют алюминий или медь, но в основном медь, которая обладает наименьшим сопротивлением по сравнению с другими проводниковыми материалами.

Существуют два различных способа выполнения обмоток – многослойная и галетная (дисковая).

Многослойная обмотка наматывается непрерывно до получения заданного количества витков и располагается по всей длине стержня магнитопровода или его части, отведенной для данной обмотки. Разновидностью многослойной обмотки является секционная обмотка, которая разбивается на ряд секций, где каждая секция занимает часть длины стержня, но все вместе они составляют единую обмотку.

Рис. 21 — Многослойная и секционная обмотки

Многослойная обмотка отличается простотой выполнения и может быть намотана на каркасе или быть бескаркасной. При намотке на каркас провод укладывают беспорядочным расположением витков – намотка «внавал» или укладывают правильными рядами – рядовая намотка.

Намотка внавал проще в производстве, но из-за возможного западания отдельных витков в толщу намотки может понизится электрическая прочность обмотки. Как правило, такая намотка используется при изготовлении броневых трансформаторов малой мощности. На рисунке 22 показано схематичное заполнение каркаса витками обмоточного провода, а числами обозначена нумерация витков, показывающая, как витки провода могут укладываться при их намотке внавал.

Рис. 22 — Намотка внавал

При рядовой намотке провод укладывается виток к витку и каждый слой прокладывают изолирующей прокладкой, например, из конденсаторной или кабельной бумаги, что повышает электрическую и механическую прочности.

Рис. 23 — Рядовая намотка

При рядовой намотке можно отказаться от сложного каркаса и производить укладку провода на простую цилиндрическую гильзу, закрепляя витки клеем или лаком. Для повышения прочности каждый последующий слой делается короче предыдущего на 0,5–1 мм и такая бескаркасная намотка удобна для массового производства.

Рис. 24 — Бескаркасная намотка

Галетная обмотка выполняется в виде отдельных элементов, галет, где каждая галета представляет собой полностью законченную деталь. Галеты одна за другой нанизываются на стержень магнитопровода и соединяются между собой электрически или иным способом. Отдельные галеты могут изготавливаться независимо одна от другой, что допускает возможность замены отдельных секций трансформатора во время ремонта.

Рис. 25 — Галетная обмотка

Обмотки трансформаторов должны быть хорошо изолированы как от магнитопровода, так и друг от друга. Изоляция обмоток от магнитопровода осуществляется при помощи каркасов (катушек), изготавливаемых из листовых изоляционных материалов с хорошей электрической и механической прочностью, например, электрокартона, прессшпана, гетинакса, различных изоляционных пластмасс.

Выбор материала каркаса определяется его стоимостью, удобством обработки и теплостойкостью, а конструкция каркаса определяется способом намотки и устройством выводов. Намотка внавал требует применения каркаса в виде катушки, тогда как бескаркасная намотка выполняется на простых цилиндрических каркасах (гильзах), склеенных из кабельной бумаги. Широкое применение нашли склеенные и составные каркасы из листовых материалов. Конструкции различных каркасов показаны на рисунке 26.

Рис. 26 — Виды каркасов для обмоток трансформаторов

Выводы концов обмоток могут выполняться

• непосредственно обмоточным проводом, выпущенным из катушки на необходимую длину или специальным изолированным проводом;
• специальными ленточными выводами, укрепленными на внешней изоляции обмотки;
• при помощи специальных контактов, укрепленных на щечках каркаса или элементах магнитопровода.

Обозначение трансформаторов на схемах

На принципиальных схемах обмотки трансформатора обозначают катушками индуктивности, расположенных близко одна от другой, а магнитопровод – линией между катушками. Низкочастотные трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопроводами из железоникелевых сплавов, например, пермаллоя, на схемах обозначаются буквой «Т», а обмотки трансформаторов обозначаются римскими цифрами. Иногда используют условную нумерацию их выводов в соответствии с маркировкой указанной на корпусе трансформатора.

Рис. 28 — Обозначение трансформаторов на схемах

В радиочастотной технике обмотки высокочастотных трансформаторов нередко являются элементами колебательных контуров и фильтров, поэтому на схемах им присваивают буквенное значение катушек индуктивности «L». Высокочастотные трансформаторы могут быть как с магнитопроводом, так и без него, а их обмотки (катушки) могут располагаться на одном или разных каркасах, но очень близко друг к другу.

Если магнитопровод является общим для всех обмоток, то на схемах его обозначают прерывистой линией , если же каждая из катушек имеет свой магнитопровод, то его изображают над катушками (рис. 29, б).

Рис. 29 — Обозначение высокочастотных трансформаторов

Возможность подстройки индуктивности катушек изменением положения магнитопровода отображают знаком подстроечного регулирования, который пересекает символы обмоток (рис. 30, а), а чтобы показать индуктивную связь между катушками, их символы пересекают знаком регулирования (рис. 30, б).

Рис. 30 — Обозначение на схемах подстройки индуктивности

В приемной и передающей радиоаппаратуре для корректной работы некоторых блоков, содержащих трансформаторы, иногда требуется знать фазировку обмоток, т.е. порядок подключения выводов. В таких случаях на принципиальных схемах начало обмоток трансформаторов и катушек индуктивности обозначают жирной точкой, которую ставят у соответствующего вывода (рис. 31).

Рис. 31 — Обозначение на схемах начала обмотки

Силовые трансформаторы могут иметь несколько вторичных обмоток с различными напряжениями, но общее количество обмоток обычно не превышает 4-5 (рис. 32).

Рис. 32 — Обозначение многообмоточного трансформатора

Некоторые устройства, питающиеся от сети переменного тока (коллекторные электродвигатели, сварочные аппараты и т.п.), создают интенсивные помехи, которые через электрическую сеть и силовой трансформатор могут проникнуть в аппаратуру и нарушить ее работу. Для ослабления этих помех между первичной (сетевой) и остальными обмотками помещают электростатический экран, представляющий собой незамкнутый виток из полоски медной или алюминиевой фольги или один слой изолированного провода. Вывод экрана соединяют с шасси или с общим проводом (корпусом) прибора, а наличие экранирующей обмотки изображают штриховой линией, параллельной символу магнитопровода, со знаком корпуса прибора на конце.

Рис. 3 — —> Рис. 33 — Обозначение экранирующей обмотки

Иногда для работы в измерительной и бытовой аудиоаппаратуре обмотку трансформатора экранируют путем размещения внутри металлического футляра (экрана) из магнитного материала, который также соединяют с шасси или с общим проводом (корпусом) прибора.

Магнитопроводы трансформаторов

Магнитопровод силового трансформатора состоит из стальных пластин. Использование пластин вместо монолитного сердечника уменьшает вихревые токи, что повышает КПД и снижает нагрев.

магнитопроводы трансформаторов

Магнитопроводы вида 1, 2 или 3 получают методом штамповки.
Магнитопроводы вида 4, 5 или 6 получают путём навивки стальной ленты на шаблон, причём магнитопроводы типа 4 и 5 затем разрезаются пополам.

Виды магнитопроводов трансформаторов бывают:

1, 4 – броневые,
2, 5 – стержневые,
6, 7 – кольцевые.

Правда, кольцевых штампованных магнитопроводов я никогда не видел.
Чтобы определить сечение магнитопровода, нужно перемножить размеры «А» и «В». Для расчётов в этой статье используется размер сечения в сантиметрах.

Трансформаторы с штампованными броневым поз.1 и стержневым поз.2 магнитопроводами. Трансформаторы с витыми стержневым поз.1 и броневым поз.2 магнитопроводами. магнитопроводы трансформаторов

Стыковая конструкция

В такой конструкции сборка ярм и стержней осуществляется раздельно. Вначале на стержень монтируют обмотку, после этого крепят верхнее ярмо. Для изоляции пластин между стыкующимися элементами укладывают электрокартон. После монтажа ярма, конструкция прессуется и стягивается с помощью вертикальных шпилек. Такой тип сборки применяется для шунтирующих и токоограничивающих реакторов. Зависит это, в основном, от габаритов установки. При небольших размерах конечного изделия, такая сборка очень удобна, так как нужно лишь снять верхнее ярмо для монтажа обмоток.

Когда речь идет о применении такой конструкции в силовых трансформаторах, возникает потребность в громоздких устройствах для стяжки изделия. Поверхности стержней и ярм, подлежащих стыковке, должны быть механически обработаны. Это снижает магнитное сопротивление, но требует больших материальных затрат и времени. Поэтому для силовых трансформаторов применяется другой вид сборки – шихтовка.

Шихтованная конструкция

В такой конструкции ярма и стержни представляют собой переплет. Их разбивают на слои определенной толщины. Состоит каждый такой пакет из двух-трех листов стали. Каждый слой содержит пластины, часть которых должна заходить в ярмо. Необходимо следить за тем, чтобы пластины предыдущего слоя перекрывали стыки пластин соседнего элемента.

Преимуществом такого вида сборки являются:

• небольшой вес конструкции;
• малые зазоры в зонах стыков;
• малый ток холостого хода;
• повышенная механическая прочность.

Из недостатков можно выделить фактор более сложной сборки трансформатора.

Сначала необходимо произвести расшихтовку верхнего ярма на отдельные слои. Затем обмотки насаживают на стержни и повторяют шихтование. Это делает монтаж более трудоемким. Проводить его должен квалифицированный специалист, так как некачественная сборка может ухудшить технические параметры трансформатора.

Влияние некачественной сборки на характеристики изделия

Наиболее распространенным дефектом собранной конструкции может быть плохая стыковка ярма с пластинами стержня. Вследствие этого, появившиеся зазоры приведут к возрастанию тока холостого хода (Iхх) трансформатора. Также ухудшится магнитный поток.

Если при сборке изделия количество пластин, входящих в ярмо, будет менее требуемого, то это вызовет уменьшение поперечного сечения, что спровоцирует рост магнитной индукции и увеличение потерь на холостом ходу. Любые механические повреждения пластин магнитопровода, во время шихтовки, также вызовут ухудшение технических параметров трансформатора.

Конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов

У броневых магнитопроводов сечения стержней прямоугольные, а стержневые и бронестержневые магнитопроводы имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность (рисунок 8, а, б). В этом случае обмотки имеют вид круговых цилиндров и вследствие ступенчатого сечения магнитопровода коэффициент заполнения сталью полости обмотки получается большим. Такая конструкция с точки зрения расхода материалов, уменьшения габаритов и стоимости изготовления трансформатора, а также механической прочности обмоток является наиболее рациональной. Число ступеней магнитопровода увеличивается с увеличением мощности. В мощных трансформаторах в сечении магнитопровода предусматриваются каналы для его охлаждения циркулирующим трансформаторным маслом (рисунок 8, б).

рис 8, Формы сечения стержней трансформаторов, рис. 9 Формы сечения ярем трансформаторов

Для упрощения технологии изготовления ярем их сечение берется прямоугольным или с небольшим числом ступеней (рисунок 9). Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении магнитопровода. Площади сечения ярем выбираются так, чтобы индукция в них была на 10 – 15% меньше, чем в стержнях. Стяжка стержней трансформаторов средней (до 800 – 1000 кВ×А) и большой мощности показана на рисунках 10 и 11. Ярма трансформаторов стягиваются с помощью деревянных или стальных балок. Для весьма мощных трансформаторов применяются и более сложные конструкции магнитопроводов.

Рис 10. Стяжка стержней трансформаторов средней мощности.

Стержни магнитопроводов во избежание распушения спрессовывают (скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из стеклоленты или стальной проволоки. Стальной бандаж выполняют с изолирующей пряжкой, что исключает создание замкнутых стальных витков на стержнях. Бандаж накладывают равномерно, с определенным натягом. Для опрессовки ярм 3 и мест их сочленения со стержнями 1 используют ярмовые балки 2, которые в местах, выходящих за крайние стержни (рис. 18), стягивают шпильками.
Во избежание возникновения разности потенциалов между металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляционных промежутков, разделяющих эти части, магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют. Заземление осуществляют медными лентами, вставляемыми между стальными пластинами магнитопровода одними концами и прикрепляемыми к ярмовым балкам другими концами.

Магнитопроводы трансформаторов малой мощности (обычно мощностью не более 1 кВ·А) чаще всего изготовляют из узкой ленты электротехнической холоднокатаной стали путем навивки. Такие магнитопроводы делают разрезными (рис. 1.9), а после насадки обмоток собирают встык и стягивают специальными хомутами.

Рисунок 12. Магнитопровод трансформатора небольшой мощности

/> Рисунок 13. Раскрой листов (а) и укладка магнитопровода (б) трансформатора небольшой мощности

Что такое трансформатор, его устройство, принцип действия и назначение

Трансформатор представляет собой электромагнитное устройство, применяемое для преобразования переменного тока одного напряжения и частоты в переменный ток другого (или равного) напряжения и той же частоты.

Устройство и работа трансформатора

В простейшем случае трансформатор содержит одну первичную обмотку с количеством витков W₁ и одну вторичную с количеством витков W₂. Энергия подводится к первичной обмотке, нагрузка подключается к вторичной. Передача энергии производится путём электромагнитной индукции. Для усиления электромагнитной связи в большинстве случаев обмотки располагают на замкнутом сердечнике (магнитопроводе).

Если в первичную обмотку подать переменное напряжение U₁, то в ней возникнет переменный ток I₁, создающий в сердечнике магнитный поток Ф той же формы. Этот магнитный поток индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Если во вторичную цепь подключить нагрузку, в ней возникнет вторичный ток I₂.

Напряжение во вторичной обмотке определяется соотношением витков W₁ и W₂:

Если k<1, то U₂>U₁, и такой трансформатор называется повышающим. Если k>1, то U₂<U₁, такой трансформатор называется понижающим. Так как выходная мощность трансформатора равна входной (за вычетом потерь в самом трансформаторе), можно говорить о том, что Рвых=Pвх, U₁*I₁=U₂*I₂ и I₂=I₁*k=I₁*(W₁/W₂). Таким образом, в трансформаторе без потерь входное и выходное напряжение прямо пропорциональны отношению витков обмоток. А токи обратно пропорциональны этому соотношению.

У трансформатора может быть больше одной вторичной обмотки с разным коэффициентом трансформации. Так, у трансформатора для питания бытовой ламповой аппаратуры от сети 220 вольт может быть одна вторичная обмотка, например, на 500 вольт для питания анодных цепей и на 6 вольт для питания цепей накаливания. В первом случае k<1, во втором – k>1.

Трансформатор работает только с переменным напряжением – для возникновения ЭДС во вторичной обмотке магнитный поток должен изменяться.

Типы сердечников для трансформаторов

На практике используются сердечники не только указанной формы. В зависимости от назначения устройства магнитопроводы могут выполняться по-разному.

Стержневые сердечники

Магнитопроводы низкочастотных трансформаторов изготавливают из стали с выраженными магнитными свойствами. Для уменьшения вихревых токов массив сердечника набирают из отдельных пластин, электрически изолированных друг от друга. Для работы на высоких частотах применяют другие материалы, например, ферриты.

Рассмотренный выше сердечник называется стержневым и состоит из двух стержней. Для однофазных трансформаторов применяют и трехстержневые магнитопроводы. У них меньше магнитный поток рассеяния и выше КПД. В этом случае и первичная и вторичная обмотки располагаются на центральном стержне сердечника.

Также на трёхстержневых сердечниках выполняют трехфазные трансформаторы. У них первичная и вторичная обмотки каждой фазы располагаются каждая на своём сердечнике. В некоторых случаях применяются пятистержневые магнитопроводы. У них обмотки располагаются точно также – первичная и вторичная каждая на своём стержне, а два крайних стержня с каждой стороны предназначены только для замыкания магнитных потоков в определенных режимах.

Броневые

В броневом сердечнике выполняют однофазные трансформаторы – обе катушки располагают на центральном стержне магнитопровода. Магнитный поток в таком сердечнике замыкается аналогично трехстержневому конструктиву — через боковые стенки. Поток рассеяния при этом очень мал.

К плюсам такой конструкции относят некоторый выигрыш по габаритам и весу за счёт возможности более плотного заполнения окна сердечника обмоткой, поэтому броневые сердечники выгодно применять для изготовления маломощных трансформаторов. Следствием этого также является более короткая магнитная цепь, что ведёт к уменьшению потерь холостого хода.

Недостатком считается более сложный доступ к обмоткам для ревизии и ремонта, а также повышенная сложность изготовления изоляции для высоких напряжений.

Тороидальные

У тороидальных сердечников магнитный поток полностью замыкается внутри сердечника, и магнитный поток рассеяния практически отсутствует. Но такие трансформаторы сложны в намотке, поэтому их применяют достаточно редко, например, в регулируемых автотрансформаторах небольшой мощности или в высокочастотных устройствах, где важна помехозащищенность.

Автотрансформатор

В некоторых случаях целесообразно применять такие трансформаторы, у которых между обмотками имеется не только магнитная связь, но и электрическая. То есть, в повышающих устройствах первичная обмотка является частью вторичной, а в понижающих – вторичная частью первичной. Такое устройство называется автотрансформатором (АТ).

Понижающий автотрансформатор не является простым делителем напряжения – в передаче энергии во вторичную цепь участвует и магнитная связь.

Плюсами автотрансформаторов являются:

• меньшие потери;
• возможность плавного регулирования напряжения;
• меньшие массогабаритные показатели (автотрансформатор дешевле, его проще транспортировать);
• меньшая стоимость за счёт меньшего потребного количества материала.

К минусам относят необходимость применения изоляции обеих обмоток, рассчитанной на высшее напряжение, а также отсутствие гальванической развязки между входом и выходом, что может перенести воздействие атмосферных явлений из первичной цепи во вторичную. При этом элементы вторичной цепи нельзя заземлять. Также недостатком АТ считают повышенные токи короткого замыкания. У трехфазных автотрансформаторов обмотки обычно соединяют в звезду с заземленной нейтралью, другие схемы соединения возможны, но слишком сложны и громоздки. Это тоже является недостатком, сужающим область применения автотрансформаторов.

Применение трансформаторов

Свойство трансформаторов повышать или понижать напряжение широко используется в промышленности и в быту.

Трансформация напряжения

К уровню промышленного напряжения на разных стадиях предъявляются разные требования. При выработке электроэнергии применять генераторы высокого напряжения по разным причинам невыгодно. Поэтому, например, на ГЭС применяют генераторы на 6…35 кВ. Для транспортировки электроэнергии, наоборот, нужно повышенное напряжение – от 110 кВ до 1150 кВ в зависимости от расстояния. Далее это напряжение вновь понижается до уровня 6…10 кВ, распределяется до местных подстанций, откуда понижается до 380(220) вольт и приходит к конечному потребителю. В бытовых и промышленных приборах его надо ещё понизить, обычно до 3…36 вольт.

Все эти операции производятся с помощью силовых трансформаторов. Они могут иметь сухое или масляное исполнение. Во втором случае сердечник с обмотками помещен в бак с маслом, которое является изолирующей и охлаждающей средой.

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка повышает безопасность электрических приборов. Если питать устройство не непосредственно от сети 220 вольт, где один из проводников соединен с землей, а через трансформатор 220/220 вольт, то напряжение питания останется тем же. Но при одновременном касании земли и вторичных токоведущих частей контура для протекания тока не будет, и опасность поражения током будет намного ниже.

Измерение напряжения

Во всех электроустановках надо контролировать уровень напряжения. Если используется класс напряжения до 1000 вольт, то вольтметры присоединяются к токоведущим частям непосредственно. В электроустановках выше 1000 вольт так не получится – приборы, выдерживающие такое напряжение получаются слишком громоздкими и небезопасными в случае пробоя изоляции. Поэтому в таких системах вольтметры присоединяются к проводникам высокого напряжения через трансформаторы с удобным коэффициентом трансформации. Например, для сетей 10 кВ используются измерительные трансформаторы 1:100, на выходе получается стандартное напряжение 100 вольт. Если напряжение на первичной обмотке изменяется по амплитуде, оно одновременно меняется и на вторичке. Шкала вольтметра обычно градуируется в диапазоне первичного напряжения.

Трансформатор является достаточно сложным и дорогим элементом для производства и обслуживания. Однако во многих областях эти устройства незаменимы, и альтернативы им нет.