Что такое трансформатор простыми словами

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

Как работает трансформатор?

  • " onclick="window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,w > Печать
  • E-mail

Дата Категория: Физика

Используемая человеком электрическая энергия в основном вырабатывается на крупных электростанциях. Эти предприятия передают электричество на районные подстанции, которые затем распределяют его по потребителям.

Так как линии электропередач обладают электрическим сопротивлением, часть энергии электрического тока теряется, превращаясь в теплоту. Постоянный ток (DC) течет в одном направлении; переменный ток (АС) периодически изменяет свое направление. Первоначально для электроснабжения применялся только постоянный ток. По ряду причин передача и преобразование постоянного тока связаны со значительными трудностями, поэтому по соображениям безопасности электростанции передавали его под низким напряжением. Однако к тому времени, когда постоянный ток достигал потребителей, сопротивление съедало 45 процентов его энергии.

Выход был найден в передаче переменного тока высокого напряжения, которое может быть легко изменено при помощи трансформатора (рисунок внизу). Так как высоковольтным линиям требуется меньший ток для передачи одного и того же количества энергии, ее потери на преодоление сопротивления стали намного меньшими. Когда переменный ток покидает электростанцию, повышающие трансформаторы увеличивают его напряжение с 22 000 до 765 000 вольт, а перед поступлением в дома другие трансформаторы, понижающие, уменьшают его до ПО или 220 вольт.

Принцип действия трансформатора

Трансформаторы увеличивают или уменьшают напряжение переменного тока. Преобразуемый переменный ток проходит по первичной обмотке, охватывающей стальной сердечник (рисунок сверху). Периодически изменяющийся ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. При перемещении во вторичную обмотку это магнитное поле генерирует в ней переменный ток. Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная, выходное напряжение будет выше, чем входное.

Потери энергии при протекании постоянного тока

Электрическая мощность (Р) вычисляется путем умножения силы тока (I) на напряжение (V), т.е. Р = I х V. Если напряжение возрастает, сила тока, необходимая для обеспечения заданной мощности, уменьшается. Низковольтная мощность постоянного тока требует большей силы тока, чем высоковольтная мощность переменного, чтобы передать одно и то же количество электроэнергии.

Переменный ток легко трансформируется

В отличие от постоянного, переменный ток периодически изменяет свое направление. Если переменный ток проходит по первичной обмотке трансформатора (рисунок слева), образующееся переменное магнитное поле индуцирует ток во вторичной обмотке. При протекании по первичной обмотке постоянного тока (рисунок справа), во вторичной обмотке ток не возникает.

Что такое трансформатор?

Слово “трансформатор” образуется от английского слова “transform” – преобразовывать, изменяться. Надеюсь все помнят фильм “Трансформеры”. Там автомобили легко преобразовывались в трансформеров и обратно. Но… трансформатор у нас не преобразовывается по внешнему виду. Он обладает еще более удивительным свойством – преобразовывает переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения! Это свойство трансформатора очень широко используется в радиоэлектронике и электротехнике.

Виды трансформаторов

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

Первичная обмотка слева, а вторичная – справа.

Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов. Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

Читайте также:  Кованые перила для лестницы своими руками

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки – маленькими буквами.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

  • звезда-звезда
  • звезда-треугольник
  • треугольник-звезда

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Принцип работы трансформатора

Рассмотрим вот такую картинку:

1 – первичная обмотка трансформатора

3 – вторичная обмотка трансформатора

Ф – направление магнитного потока

U1 – напряжение на первичной обмотке

U2 – напряжение на вторичной обмотке

На картинке показан самый обычный однофазный трансформатор.

Магнитопровод состоит из пластинок специальной стали. По нему течет магнитный поток Ф (показано стрелками). Этот магнитный поток создается переменным напряжением первичной обмотки трансформатора. Снимается напряжение со вторичной обмотки трансформатора.

Но как такое возможно? У нас ведь нет никакой связи между первичной и вторичной обмотками? Как может ток течь через разомкнутую цепь? Все дело именно в магнитном потоке, который создает первичная обмотка трансформатора. Вторичная обмотка “ловит” этот магнитный поток и преобразовывает его в переменное напряжение с такой же частотой.

В настоящее время трансформаторы создают в другом конструктивном исполнении. Такое исполнение имеет свои плюсы, такие как удобство намотки первичной и вторичной обмоток, а также меньшие габариты.

Формула трансформатора

Так от чего же зависит напряжение, которое выдает нам трансформатор на вторичной обмотке? А зависит оно от витков, которые намотаны на первичной и вторичной обмотке !

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

В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Виды трансформаторов по выходному напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку заходит 220 В, а на вторичной у нас получается 12 В. То есть мы большее напряжение преобразовали в меньшее напряжение.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, который повышает напряжение. Тут тоже все до боли просто. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение в несколько раз.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

Разделительный или развязывающий трансформатор (трансформатор 220-220)

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР.

Как проверить трансформатор

Короткое замыкание обмоток

Хотя обмотки прилегают очень плотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка. Если где-то возникло короткое замыкание, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.

Обрыв обмотки трансформатора

При обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки.

На фото ниже я проверяю целостность первичной обмотки, которая состоит из 2650 витков. Сопротивление есть? Значит все ОК. Обмотка не в обрыве. Если бы она была в обрыве, мультиметр показал бы на дисплее “1”.

Таким же способом проверяем и вторичную обмотку, которая состоит из 18 витков

Работа трансформатора

Работа понижающего трансформатора

Итак, у нас в гостях трансформатор от выжигательного прибора по дереву:

Его первичная обмотка – это цифры 1, 2.

Вторичная обмотка – цифры 3, 4.

Его внутренности выглядят вот так:

Подключаем первичную обмотку трансформатора к 220 Вольтам

Ставим крутилку на мультиметре на измерения переменного тока и замеряем напряжение на первичной обмотке (напряжение сети).

Замеряем напряжение на вторичной обмотке.

Настало время проверить наши формулы

1.54/224=0.006875 (коэффициент отношения напряжения)

18/2650=0.006792 (коэффициент отношения обмоток)

Читайте также:  Пример расчета сечения кабеля

Сравниваем числа… погрешность вообще копейки! Формула работает! Погрешность связана с потерями на нагрев обмоток трансформатора и магнитопровода, а также погрешность измерения мультиметра. Насчет силы тока работает простое правило: понижая напряжение, повышаем силу тока и наоборот, повышая напряжение, понижаем силу тока.

Трансформатор на холостом ходу

Работа трансформатора на холостом ходу подразумевает работу трансформатора без нагрузки на вторичной обмотке.

Нашим подопытным кроликом будет уже другой трансформатор

Вторичных обмоток здесь целых две пары, но мы будем использовать только одну.

Два красных провода – это первичная обмотка трансформатора. На эти провода мы будем подавать напряжение из сети 220 В.

Снимать напряжение будем со вторичной обмотки с двух синих проводов.

Для того, чтобы произвести замеры, нам потребуется выставить на мультиметре крутилку на измерение переменного напряжения.Если вы не знаете, как измерять переменное напряжение и силу тока, рекомендую прочитать вот эту статью.

Замеряем напряжение на первичной обмотке трансформатора, куда мы подаем 220 В.

Мультиметр показывает 230 В. Ну что же, бывает).

Теперь замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Получили 22 Вольта.

Интересно, а какую силу тока потребляет из розетки наш трансформатор при холостом режиме?

Мультиметр показал 60 миллиампер. Оно и понятно, ведь наш трансформатор не идеальный.

Как вы видите, на вторичной обмотке трансформатора нет никакой нагрузки, но он все равно “кушает” силу тока, а следовательно и электрическую энергию из сети. Если сосчитать мощность, то получим P=IU=230×0,06=13,8 Ватт. А если у нас он простоит включенным хотя бы часик, то у нас он съест электроэнергию 13,8 Ватт* час или 0,0138кВатт*час. А сколько сейчас стоит один киловатт электроэнергии? В России 4-5 рублей. Копейка рубль бережет. Поэтому, не рекомендуется оставлять в сети электроприборы, имеющие трансформаторный блок питания.

Трансформатор под нагрузкой

Опыт №1

Работа трансформатора под нагрузкой подразумевает режим, при котором к его вторичной обмотке цепляется нагрузка. Для этого последовательно соединяем две лампы накаливания по 13,5 Вольт. В этом случае напряжение будет падать поровну на каждой из ламп накаливания, так как мы соединили их последовательно. Почему так получается, читайте статью про делитель напряжения.

Интересно, а поменяется ли сила тока на первичной обмотке, если мы нагрузим вторичную обмотку нашими лампочками? Лампочки загорелись, а сила тока на первичной обмотке тоже поменялась 😉

Когда мы замеряли без нагрузки, у нас было 60 миллиампер в цепи первичной обмотки. Цепь вторичной обмотки у нас была разомкнута, так как мы не присоединяли никакую нагрузку. Как только мы подсоединили лампы накаливания ко вторичной обмотке трансформатора, они стали сразу потреблять силу тока. Но еще кстати, сила тока поднялась в цепи первичной обмотки, до уровня 65,3 миллиампер. Отсюда напрашивается вывод:

Если растет сила тока в цепи вторичной обмотки трансформатора, то растет и сила тока в цепи первичной обмотки.

Опыт №2

Давайте проведем еще один опыт. Для этого замеряем напряжение без нагрузки на вторичной обмотке трансформатора, так называемый – холостой режим работы

а теперь подсоединяем наши лампочки и снова замеряем напряжение

Ого, напряжение просело на 0,2 В.

Давайте замеряем силу тока во вторичной обмотке с лампочками

Получили 105 миллиампер.

Все те же самые аналогичные операции проводим и для мощного резистора номиналом в 10 Ом и мощностью рассеивания в 10 Ватт. Замеряем напряжение на вторичной обмотке, при включении резистора

Получили 18,9 В. Видели, как сильно просело напряжение? Если на холостом ходу было 22,2 В, то сейчас стало 18,9 В !

Интересно, какая сила тока течет во вторичной цепи, в которой включен резистор

Ого-го, почти 2 Ампера.

Вывод: при включении нагрузки происходит просадка напряжения. Напряжение падает тем больше, чем больше силы тока кушает нагрузка. Здесь также играет роль еще один немаловажный фактор – мощность трансформатора. Чем больше мощность трансформатора, тем меньше будет просадка напряжения. Мощность трансформатора зависит от его габаритов. Чем больше габариты, тем больше его размер сердечника. Следовательно, такой трансформатор может выдавать приличную силу тока во вторичной обмотке с минимальной просадкой напряжения.

Трансформатор относится к категории статических электромагнитных устройств, способных преобразовывать переменный ток с одним значением напряжения в переменный ток с другим напряжением, сохраняя при этом одну и ту же частоту. Эти приборы успешно используются в электрических сетях для передачи и распределения энергии, а также являются неотъемлемой частью многих электроустановок. В связи с этим, особенно актуальным становится вопрос, как работает трансформатор, в зависимости от количества обмоток, фаз, способов охлаждения и других конструктивных особенностей, от которых напрямую зависит применение данных устройств.

Читайте также:  Как сделать торцовку из циркулярки

Действие понижающего трансформатора

Существуют различные типы понижающих трансформаторов. Они могут быть одно-, двух- или трехфазными, что позволяет использовать их в различных областях энергетики. Конструкция этих устройств включает в себя две обмотки и шихтованный сердечник, для изготовления которого используется электротехническая сталь. Отличительной особенностью понижающего трансформатора является различное число витков в первичной и вторичной обмотке. Для того, чтобы правильно использовать устройство, нужно хорошо представлять себе, как работает понижающий трансформатор.

Напряжение, подаваемое на вход трансформатора, вызывает появление в обмотке электродвижущей силы, которая, в свою очередь приводит к возникновению магнитного поля. В результате пересечения этим полем витков второй катушки, в ней появляется собственная электродвижущая сила самоиндукции. Под ее воздействием во второй катушке появляется напряжение, отличающееся от первичного на разницу количества витков в обеих обмотках.

Для определения точных параметров, необходимо выполнить расчеты понижающего трансформатора. Следует учитывать, что возникновение электродвижущей силы самоиндукции возможно лишь под действием переменного напряжения. Поэтому все бытовые электрические сети работают только на переменном токе.

В современных условиях все чаще возникает необходимость в преобразовании высокого напряжения в низкое. Это связано с тем, что электростанции вырабатывают ток высокого напряжения, обеспечивающий потребности какого-то участка. Поэтому на каждом таком участке начальное напряжение преобразуется до значения, допустимого к применению в бытовых условиях. Кроме того, понижающие трансформатора довольно часто используются в бытовых условиях, чтобы адаптировать низковольтные устройства к сетевому току 220В. Они являются конструктивными элементами различных блоков питания, адаптеров, стабилизаторов и других аналогичных устройств.

Приобретая понижающий трансформатор, следует обратить внимание на такие параметры, как мощность и количество витков в обеих обмотках. Необходимо учитывать важный показатель – коэффициент трансформации напряжения. Этот параметр зависит от соотношения количества витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Таким образом, определяется соотношение напряжений на обеих обмотках.

В понижающем трансформаторе число витков первичной обмотки превышает количество витков во вторичной обмотке, выдающей пониженное выходное напряжение. В некоторых устройствах имеется несколько выводов, означающих наличие сразу нескольких групп соединений. Формирование нужной схемы в них осуществляется в зависимости от величины входного и выходного тока. Такие трансформаторы являются универсальными и многофункциональными, пользующиеся широкой популярностью у потребителей.

Принцип работы трансформатора напряжения

Основная функция трансформаторов напряжения заключается в преобразовании энергии источника в нужное значение напряжение. Данные устройства могут работать лишь при переменном напряжении с неизменной частотой.

В соответствии с коэффициентом трансформации существует три типа трансформаторов напряжения:

  • Понижающий. В этих устройствах напряжение на выходе меньше, чем входное. Используется в блоках питания, стабилизаторах и т.д.
  • Повышающий. Здесь ток на выходе больше, чем на входе. Применяется, в основном, в усилительных устройствах.
  • Согласующий. Работа этих приборов происходит без изменений параметров напряжения, все действия ограничиваются лишь гальванической развязкой. Используется в схемах звуковых усилителей.

Для того чтобы правильно использовать ту или иную конструкцию, необходимо точно знать, как работает трансформатор тока. Известно, что основой работы этих устройств является электромагнитная индукция. Для снижения потерь в процессе трансформации и максимальной передачи энергии в трансформаторах используются магнитопроводы. В конструкции имеется одна первичная катушка, в то время как вторичных катушек бывает несколько, в зависимости от назначения каждого прибора.

После возникновения в первичной обмотке переменного тока, в магнитопроводе появляется магнитный поток, возбуждающий напряжение во вторичной обмотке. Основным параметром считается коэффициент трансформации, равный отношению напряжения в первичной обмотке, к напряжению во вторичной обмотке. Таким же образом соотносится число витков, имеющихся в первой и второй катушках.

С помощью этого коэффициента выполняется расчет параметров для конкретного трансформатора. Например, если в первичной обмотке имеется 2000 витков, а во вторичной – 100, коэффициент трансформации будет равен 20. Следовательно, при входном сетевом напряжении 240 В, выходное напряжение составит 12 В. Таким же способом определяется необходимое количество витков при заданных значениях входного и выходного напряжения.

Одним из типов таких устройств, широко применяемых на практике, являются измерительные трансформаторы напряжения. Они используются в оборудовании, потребляющем большие токи и высокие рабочие напряжения с целью проведения контрольных измерений. С помощью этих устройств, измеряемые величины снижаются до уровня, позволяющего выполнить необходимые замеры.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector