Электрические трансформаторы

В этом разделе представлены различные модели электрических трансформаторов, а также прилагается небольшое описание общего принципа работы.

Общие принципы работы электрического трансформатора

Вообразим стальной стержень, на котором с одной стороны намотан один виток проволоки (обозначим его «виток А»), а с другой стороны – еще один виток («виток Б»). Это и будет самый простой трансформатор. Строго говоря, даже если металлический стержень вынуть из витков А и Б, витки все равно будут образовывать трансформатор. О том, почему трансформатор со стержнем (его называют сердечником или магнитопроводом) лучше, будет сказано ниже. 

Что произойдет, если через виток А начать пропускать постоянный электрический ток? По известному из школьного курса физики закону Био-Савара, возникнет магнитное поле, вектор индукции которого на оси витка А будет направлен перпендикулярно плоскости этого витка. Величина этого поля будет тем меньше, чем далее мы смещаемся по оси витка А от самого этого витка. Смещаясь в нужную сторону, мы рано или поздно дойдем до центра витка Б. Итак, из-за того, что мы пропускаем постоянный ток через виток А, в центре витка Б возникнет магнитное поле.

Будет ли при этом создаваться ток в витке Б? По закону электромагнитной индукции Фарадея будет, но только на короткое время при включении или выключении тока в витке А. В остальное время ток в витке Б будет нулевым. Итак, для того, чтобы в витке Б возникал ток, в витке А ток должен все время меняться. Убедившись в этом, подключим теперь к витку А не постоянный, а переменный ток.

С этого момента наш простейший трансформатор начнет работать: переменный ток в витке А будет вызывать переменный ток в витке Б. При этом два витка электрически между собой никак не связаны – ток передается от витка А к витку Б не непосредственно, а сначала порождает переменное магнитное поле, затем это поле порождает переменный ток в витке Б.

Магнитопровод, о котором говорилось выше, как раз и нужен для того, чтобы магнитное поле не рассеивалось, а было сконцентрировано внутри витков. Эта концентрация происходит благодаря магнитным свойствам стали, из которой изготовляют магнитопроводы низкочастотных трансформаторов. Для того, чтобы еще лучше сконцентрировать магнитное поле, магнитопроводы делают замкнутой формы, т.е. не в виде стержня, а виде кольца, прямоугольника и т.п. При этом можно достигнуть того, что электроэнергия будет передаваться из одного витка в другой почти без потерь.

Реальные трансформаторы

Используемые в технике трансформаторы имеют важное отличие от простейшего трансформатора, рассмотренного выше: вместо одного витка А и одного витка Б используются многовитковые обмотки. При этом имеет место основное свойство трансформатора: если обмотка А имеет N витков, а обмотка Б имеет М витков, то при подаче на обмотку А некоторого переменного напряжения U на обмотке Б возникнет напряжение  U * (M : N). Соотношение M : N называется коэффициентом трансформации.

Если этот коэффициент менее единицы, то трансформатор понижает напряжение. В таком случае он называется понижающим. Если же этот коэффициент более единицы, то трансформатор повышает напряжение. В этом случае он называется повышающим.

Важнейшим является то, что независимо от коэффициента трансформации трансформатор преобразует напряжение почти без потерь мощности. Это происходит благодаря тому, что почти вся энергия из обмотки А переходит в магнитную энергию, которая концентрируется внутри сердечника, а затем эта магнитная энергия переходит в электрическую энергию обмотки Б, также почти без потерь.

Обмоток в трансформаторе не обязательно две. Их может быть и несколько: например, на одну из трех обмоток может подаваться питающее напряжение, а с двух других обмоток могут сниматься преобразованные с разными коэффициентами трансформации напряжения. Еще одним примером являются трансформаторы для преобразования трехфазного напряжения (например, трансформаторы ТСЗИ). Бывают трансформаторы с одной обмоткой. Они называются автотрансформаторами (например, автотрансформатор АОСН-2А или автотрансформатор ЛАТР-2,5). Преобразование напряжения в них достигается тем, что исходное напряжение подается на одну часть обмотки, а снимается с другой части.

Важным свойством трансформатора является создание гальванической развязки между разными обмотками (разумеется, автотрансформаторы гальванической развязки не создают).

Потери энергии в трансформаторах

Говоря, что трансформатор преобразует напряжение почти без потерь мощности, мы подразумевали, что небольшие потери все-таки есть. Основные источники потерь следующие:

• потери из-за ненулевого омического сопротивления обмоток;
• потери из-за многократного перемагничивания магнитопровода;
• потери из-за индукционных токов в магнитопроводе.

Все эти типы потерь приводят к бесполезному переходу электрической и магнитной энергии в тепло – трансформатор нагревается при работе. Для сокращения потерь, вызванных индукционными токами в сердечнике, обычно сердечник делают не из сплошного куска стали, а набирают из стальных пластин. Электрическое сопротивление между пластинами ограничивает индукционные токи, направленные поперек пластин, а малая толщина пластин ограничивает продольные индукционные токи.

Широта выбора трансформаторов

Большим спросом не рынке пользуются автотрансформаторы АОСН-2А и ЛАТР 2,5, различные однофазные трансформаторы, в том числе линейки ОСМ1, трехфазные трансформаторы линейки ТСЗИ, измерительный трансформатор тока Т-0,66 и другие.