Устройството и принципът на действие на трансформатора

За да преобразувате електрическо напрежение с една величина в електрическо напрежение с друга величина, тоест за преобразуване на електрическа енергия, използвайте електрически трансформатори.

Трансформаторът може само да преобразува променлив ток в променлив, следователно, за да се получи постоянен ток, променливият ток от трансформатора се коригира, ако е необходимо. За тази цел служат токоизправители.

По един или друг начин всеки трансформатор (било то трансформатор на напрежение, токов трансформатор или импулсен трансформатор) работи поради явлението електромагнитна индукция, което се проявява в целия си блясък именно с променлив или импулсен ток.

Трансформаторно устройство

В най-простата си форма еднофазният трансформатор се състои само от три основни части: феромагнитно ядро ​​(магнитна верига), както и първични и вторични намотки. По принцип трансформаторът може да има повече от две намотки, но поне две от тях. В някои случаи функцията на вторичната намотка може да се изпълнява от част от завоите на първичната намотка (вж. видове трансформатори), но такива решения са доста редки в сравнение с обичайните.

Основната част на трансформатора е феромагнитна сърцевина. Когато трансформаторът работи, променящото се магнитно поле е в рамките на феромагнитното ядро. Източникът на променящото се магнитно поле в трансформатора е променливият ток на първичната намотка.

Напрежение на вторичната намотка на трансформатора

Известно е, че всеки електрически ток е придружен от магнитно поле; съответно променлив ток е придружен от променливо (променящо се по величина и посока) магнитно поле.

По този начин, чрез подаване на променлив ток към първичната намотка на трансформатора, получаваме променящо се магнитно поле на тока на първичната намотка. И така че магнитното поле е концентрирано главно в сърцевината на трансформатора, това ядро ​​е направено от материал с висока магнитна пропускливост, хиляди пъти по -голяма от тази на въздуха, така че основната част от магнитния поток на първичната намотка ще бъде затворен точно вътре в сърцевината, а не чрез въздух.

По този начин променливото магнитно поле на първичната намотка е концентрирано в обема на сърцевината на трансформатора, който е изработен от трансформаторна стомана, ферит или друг подходящ материал, в зависимост от работната честота и предназначението на конкретен трансформатор.

Вторичната намотка на трансформатора е разположена върху обща сърцевина с нейната първична намотка. Следователно променливото магнитно поле на първичната намотка също прониква в завоите на вторичната намотка.

А явление на електромагнитна индукция просто се крие във факта, че променящото се във времето магнитно поле предизвиква променящо се електрическо поле в пространството около него. И тъй като в това пространство около променящото се магнитно поле има втори проводник за намотка, индуцираното променливо електрическо поле действа върху носителите на заряда вътре в този проводник.

Това действие от електрическо поле предизвиква ЕМП при всяко завъртане на вторичната намотка. В резултат на това между клемите на вторичната намотка се появява променливо електрическо напрежение. Когато вторичната намотка на свързания трансформатор не е натоварена, трансформаторът е празен.

Работа на трансформатора под товар

Ако определен товар е свързан към вторичната намотка на работещ трансформатор, ток възниква през товара във цялата вторична верига на трансформатора.

Този ток генерира свое собствено магнитно поле, което според закона на Ленц има такава посока, че противодейства на „причината, която го причинява“. Това означава, че магнитното поле на тока на вторичната намотка във всеки момент от време има тенденция да намалява нарастващото магнитно поле на първичната намотка или има тенденция да поддържа магнитното поле на първичната намотка, когато тя намалява, тя винаги е насочена към магнитното поле на първичната намотка.

По този начин, когато вторичната намотка на трансформатора е натоварена, в нейната първична намотка възниква обратна ЕМП, принуждавайки първичната намотка на трансформатора да консумира повече ток от захранващата мрежа.

Коефициент на трансформация

Съотношението на завоите на първичната N1 и вторичната N2 намотка на трансформатора определя съотношението между неговите входни U1 и изходни U2 напрежения и входни I1 и изходни I2 токове, когато трансформаторът работи под товар. Това съотношение се нарича коефициент на трансформация на трансформатора:

Коефициентът на трансформация е по-голям от един, ако трансформаторът е понижен, и по-малък от един-ако трансформаторът е увеличен.

Трансформатор на напрежение

Трансформатор за напрежение е вид понижаващ трансформатор, предназначен за галванично изолиране на вериги за високо напрежение от вериги за ниско напрежение.

Обикновено, когато става въпрос за високо напрежение, те означават 6 или повече киловолта (на първичната намотка на трансформатора на напрежение), а ниското напрежение означава стойности от порядъка на 100 волта (на вторичната намотка).

Такъв трансформатор се използва, като правило, за измервателни цели… Той понижава например високото напрежение на електропровода до удобно ниско напрежение за измерване, като същевременно може и галванично да изолира измервателните, защитните, управляващите вериги от веригата за високо напрежение. Този тип трансформатори обикновено работят в режим на празен ход.

Трансформатор на напрежение може да се нарече по принцип всеки силов трансформаторизползвани за преобразуване на електрическа енергия.

Настоящ трансформатор

В токов трансформатор първичната намотка, която обикновено се състои само от един оборот, е свързана последователно към веригата на източника на ток. Този завой може да бъде участък от проводника на веригата, в който е необходимо да се измери тока.

Проводникът просто се прекарва през прозореца на сърцевината на трансформатора и се превръща в този единствен завой — завоят на първичната намотка. Вторичната му намотка, която има много завои, е свързана с измервателно устройство, което има ниско вътрешно съпротивление.

Трансформатори от този тип се използват за измерване на стойностите на променлив ток в силовите вериги. Тук токът и напрежението на вторичната намотка са пропорционални на измерения ток на първичната намотка (токова верига).

Токовите трансформатори се използват широко в устройства за релейна защита за електроенергийни системи, следователно те имат висока точност. Те правят измерванията безопасни, тъй като галванично надеждно изолират измервателната верига от първи контур (обикновено високо напрежение — десетки и стотици киловолта).

Импулсен трансформатор

Този трансформатор е предназначен за преобразуване на импулсна форма на ток (напрежение). Кратките импулси, обикновено правоъгълни, приложени към първичната му намотка, карат трансформатора да работи практически в преходни условия.

Такива трансформатори се използват в преобразуватели на импулсно напрежение и други импулсни устройства, както и в диференциращи трансформатори.

Използването на импулсни трансформатори позволява да се намали теглото и цената на устройствата, в които те се използват, просто поради повишената честота на преобразуване (десетки и стотици килохерца) в сравнение с мрежовите трансформатори, работещи на честота 50-60 Hz. Правоъгълните импулси, чието време на нарастване е много по -малко от самата продължителност на импулса, обикновено се трансформират с ниско изкривяване.