Трансформатор являє собою електромагнітний пристрій, що застосовується для перетворення змінного струму однієї напруги і частоти змінний струм іншого (або рівного) напруги і тієї ж частоти.
Пристрій та робота трансформатора
Якщо первинну обмотку подати змінну напругу U1, то в ній виникне змінний струм I1, що створює в сердечнику магнітний потік Ф тієї ж форми. Цей магнітний потік індукує ЕРС у вторинній обмотці. Якщо підключити навантаження до вторинного ланцюга, в ньому виникне вторинний струм I2.
Напруга у вторинній обмотці визначається співвідношенням витків W1 та W2:
- U2=U1*(W1/W2)=U1/k, де k – коефіцієнт трансформації.
Якщо k<1, U2>U1, і такий трансформатор називається підвищує. Якщо k>1, то U2<U1, такий трансформатор називається знижуючим. Оскільки вихідна потужність трансформатора дорівнює вхідний (з відрахуванням втрат у самому трансформаторі), можна говорити, що Рвых=Pвх, U1*I1=U2*I2 і I2=I1*k=I1*(W1/W2). Таким чином, в трансформаторі без втрат вхідна та вихідна напруга прямо пропорційні відношенню витків обмоток. А струми обернено пропорційні цьому співвідношенню.
У трансформатора може бути більше однієї вторинної обмотки з різним коефіцієнтом трансформації. Так, у трансформатора для живлення побутової лампової апаратури від мережі 220 вольт може бути одна вторинна обмотка, наприклад, 500 вольт для живлення анодних ланцюгів і на 6 вольт для живлення ланцюгів розжарювання. У першому випадку k<1, у другому - k>1.
Трансформатор працює тільки із змінною напругою – для виникнення ЕРС у вторинній обмотці магнітний потік має змінюватись.
Типи сердечників для трансформаторів
Насправді використовуються сердечники як зазначеної форми. Залежно від призначення пристрою магнітопроводи можуть виконуватись по-різному.
Стрижневі сердечники
Магнітопроводи низькочастотних трансформаторів виготовляють із сталі з вираженими магнітними властивостями. Для зменшення вихрових струмів масив сердечника набирають із окремих пластин, електрично ізольованих один від одного. Для роботи на високих частотах застосовують інші матеріали, наприклад, ферити.
Розглянутий вище сердечник називається стрижневим і складається з двох стрижнів. Для однофазних трансформаторів застосовують і тристрижневі магнітопроводи. У них менший магнітний потік розсіювання та вище ККД. У цьому випадку первинна і вторинна обмотки розташовуються на центральному стрижні сердечника.
Також на тристрижневих сердечниках виконують трифазні трансформатори. У них первинна та вторинна обмотки кожної фази розташовуються кожна на своєму сердечнику. У деяких випадках застосовуються п'ятистрижневі магнітопроводи. Вони обмотки розташовуються точно також – первинна і вторинна кожна своєму стрижні, а два крайніх стрижні з кожного боку призначені лише замикання магнітних потоків у певних режимах.
Броневі
У броньовому сердечнику виконують однофазні трансформатори - обидві котушки розташовують на центральному стрижні магнітопроводу. Магнітний потік у такому сердечнику замикається аналогічно тристрижневому конструктиву – через бічні стінки. Потік розсіювання у своїй дуже малий.
До плюсів такої конструкції відносять деякий виграш за габаритами та вагою за рахунок можливості більш щільного заповнення вікна осердя обмоткою, тому броньові сердечники вигідно застосовувати для виготовлення малопотужних трансформаторів. Наслідком цього є більш короткий магнітний ланцюг, що веде до зменшення втрат холостого ходу.
Недоліком вважається більш складний доступ до обмоток для ревізії та ремонту, а також підвищена складність виготовлення ізоляції для високої напруги.
Тороїдальні
Автотрансформатор
У деяких випадках доцільно застосовувати такі трансформатори, у яких між обмотками є як магнітний зв'язок, а й електрична. Тобто, у підвищуючих пристроях первинна обмотка є частиною вторинної, а понижуючих – вторинна частиною первинної. Такий пристрій називається автотрансформатором (АТ).
Знижувальний автотрансформатор не є простим дільником напруги – у передачі енергії у вторинний ланцюг бере участь і магнітний зв'язок.
Плюсами автотрансформаторів є:
- менші втрати;
- можливість плавного регулювання напруги;
- менші масогабаритні показники (автотрансформатор дешевший, його простіше транспортувати);
- менша вартість рахунок меншого потрібної кількості матеріалу.
До мінусів відносять необхідність застосування ізоляції обох обмоток, розрахованої на вищу напругу, а також відсутність гальванічної розв'язки між входом та виходом, що може перенести вплив атмосферних явищ з первинного ланцюга у вторинну. При цьому елементи вторинного ланцюга не можна заземлювати. Також недоліком АТ вважають підвищені струми короткого замикання. У трифазних автотрансформаторів обмотки зазвичай з'єднують у зірку із заземленою нейтраллю, інші схеми з'єднання можливі, але надто складні та громіздкі. Це теж є недоліком, що звужує сферу застосування автотрансформаторів.
Застосування трансформаторів
Властивість трансформаторів підвищувати або знижувати напругу широко використовується у промисловості та побуті.
Трансформація напруги
До рівня промислової напруги різних стадіях пред'являються різні вимоги. При виробленні електроенергії застосовувати генератори високої напруги з різних причин невигідно. Тому, наприклад, на ГЕС застосовують генератори на 6...35 кВ. Для транспортування електроенергії, навпаки, потрібна підвищена напруга – від 110 кВ до 1150 кВ залежно від відстані. Далі ця напруга знову знижується до рівня 6 ... 10 кВ, розподіляється до місцевих підстанцій, звідки знижується до 380 (220) вольт і приходить до кінцевого споживача. У побутових і промислових приладах його треба знизити, зазвичай до 3…36 вольт.
Всі ці операції здійснюються за допомогою силових трансформаторів. Вони можуть мати сухе або олійне виконання. У другому випадку сердечник з обмотками поміщений у бак з маслом, яке є ізолюючим та охолодним середовищем.
Гальванічна розв'язка
Гальванічна розв'язка збільшує безпеку електричних приладів. Якщо живити пристрій не безпосередньо від мережі 220 вольт, де один із провідників з'єднаний із землею, а через трансформатор 220/220 вольт, то напруга живлення залишиться тим самим. Але при одночасному торканні землі та вторинних струмопровідних частин контуру для протікання струму не буде, і небезпека ураження струмом буде набагато нижчою.
Вимірювання напруги
У всіх електроустановках слід контролювати рівень напруги. Якщо використовується клас напруги до 1000 вольт, то вольтметри приєднуються до струмоведучих частин безпосередньо. В електроустановках вище 1000 вольт так не вийде – прилади, що витримують таку напругу, виходять занадто громіздкими і небезпечними у разі пробою ізоляції. Тому в таких системах вольтметри приєднуються до провідників високої напруги через трансформатори із зручним коефіцієнтом трансформації. Наприклад, для мереж 10 кВ використовуються вимірювальні трансформатори 1:100, на виході виходить стандартна напруга 100 вольт. Якщо напруга на первинній обмотці змінюється за амплітудою, вона одночасно змінюється і на вторинному. Шкала вольтметра зазвичай градує у діапазоні первинної напруги.
Трансформатор є досить складним та дорогим елементом для виробництва та обслуговування. Однак у багатьох областях ці пристрої незамінні, альтернативи їм немає.
СХОЖІ СТАТТІ:
- Пристрій та принцип дії силових трансформаторів
- Як підключити три фази до приватного будинку?
- Що таке магнітний двигун та як його зробити своїми руками?