Трансформаторы, их назначение, принцип действия, примеры использования

Данный режим  широко используется в измерительных  трансформаторах тока.

Режим с нагрузкой

При подключении  нагрузки к вторичной обмотке  во вторичной цепи возникает ток, создающий магнитный поток в  магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной  обмоткой. В результате в первичной  цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что  приводит к увеличению тока в первичной  обмотке до тех пор, пока магнитный  поток не достигнет практически  прежнего значения.

Схематично, процесс  преобразования можно изобразить следующим  образом:

Мгновенный магнитный  поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени  от мгновенного значения ЭДС в  первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут  по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС  пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

2.2 Принцип работы  Однофазных и трехфазных  трансформаторов специального назначения

Пик-трансформаторы

Пик-трансформаторы применяются для преобразования синусоидального напряжения в импульсы пикообразной формы. Такие импульсы напряжения с крутым фронтом необходимы для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми или  электронными устройствами.

Принцип работы пик-трансформатора основан на явлении  магнитного насыщения ферромагнитного  материала. Существует несколько конструктивных исполнений пик-трансформаторов

Для обеспечения  удовлетворительных энергетических показателей  пик-трансформаторов их магнитопроводы изготавливают из сплава типа пермаллой.

 Импульсные  трансформаторы

В электронных  устройствах для согласования полных сопротивлений, изменения знака  и амплитуды импульсов, а также  для размножения импульсов применяют  импульсные трансформаторы. Одно из основных требований, предъявляемых к импульсным трансформаторам, - минимальное искажение  формы трансформируемых импульсов.

Для уменьшения паразитных емкостей и индуктивности  рассеяния обмоток последние  делают с небольшим числом витков. При этом малая продолжительность  трансформируемых импульсов позволяет  выполнять обмотки импульсных трансформаторов  проводом уменьшенного поперечного  сечения, не вызывая недопустимых перегревов. Это способствует уменьшению габаритных размеров и массы импульсных трансформаторов.

 Умножители  частоты

Трансформаторные  устройства, состоящие из магнитопроводов  и обмоток, можно использовать для  умножения частоты переменного  тока, т. е. увеличения частоты в целое  число раз.

Рассмотрим принцип  работы удвоителя частоты. Два замкнутых  магнитопровода имеют пять обмоток. Первичную обмотку ω1 выполняют  так, чтобы она охватывала сразу  два магнитопровода. При включении  обмотки в сеть переменного тока с синусоидальным напряжением и  частотой f1 она создает в каждом магнитопроводе переменную МДС F1. Две  секции вторичной обмотки ω1' и  ω2", каждая из которых расположена  на своем магнитопроводе, включены друг с другом последовательно согласно, так что результирующий магнитный  поток, сцепленный с этими обмотками, равен сумме потоков магнитопроводов  Фa + Фb. Кроме того, на каждом магнитопроводе имеется по одной обмотке подмагничивания  ω0, включенных между собой последовательно. При включении этих обмоток на постоянное напряжение U0 в каждом из магнитопроводов возникает подмагничивающая МДС F0 = I0 ω0.

При включении  в сеть с синусоидальным напряжением u1 и частотой f1 обмотка ω1 в течение  первого полупериода напряжения u1 создает МДС F1 = I1 ω1 в магнитопроводе a, направленную согласно с МДС постоянного  тока F0. При этом магнитные потоки в магнитопроводе a складываются и  создают результирующий поток Фa = Ф0 + Ф1. За счет магнитного насыщения  магнитопровода a график этого потока Фa = ѓ(t) имеет уплощенный вид.

В магнитопроводе b в этом же полупериоде МДС потоки Ф0 и Ф1 действуют встречно, создавая результирующий поток Фb = Ф0 – Ф1, имеющий значительный провал в середине первого полупериода. Во втором полупериоде напряжения u1 в магнитопроводе a создается поток, равный разности Фa = Ф0 – Ф1, а в магнитопроводе b – поток, равный сумме Фb = Ф0 + Ф1. Вторичную обмотку, состоящую из двух секций (ω2 = ω2' + ω2"), охватывает суммарный магнитный поток Фa + Фb, график которого (Фa + Фb) = ѓ(t) построен путем суммирования ординат потоков Фa и Фb. Этот поток содержит постоянную составляющую Фпост, не принимающую участия в наведении вторичной ЭДС и явно выраженную переменную составляющую второй гармоники, которая наводит в секциях вторичной обмотки ЭДС E2 частотой f2 = 2 f1. Электродвижущая сила первичной обмотки E1, так же как и первичное напряжение U1, имеет частоту f1.

Для компенсации  индуктивных падений напряжений во вторичную цепь удвоителя частоты  включают конденсатор емкостью C, что  повышает коэффициент мощности cos φ  удвоителя и уменьшает наклон его внешней характеристики U2 = ѓ(I2).

Стабилизаторы напряжения

     Стабилизаторы напряжения предназначены для поддержания  практически неизменным напряжения на входе каких-либо устройств автоматики, чувствительных к колебаниям напряжения сети U1.

     Основной  показатель работы стабилизатора напряжения – коэффициент стабилизации по напряжению, показывающий, во сколько раз относительное  изменение напряжения на выходе стабилизатора (ΔUст / Uст) меньше относительного изменения  напряжения на его входе (ΔU / U1):

     kст = (ΔU / U1) : (ΔUст / Uст), (1)

     где ΔU = U1 max – U1 min;

       ΔUст = Uст max – Uст min.Основные виды стабилизаторов трансформаторного принципа действия: ферромагнитные стабилизаторы насыщенного типа и феррорезонансные стабилизаторы (содержащие емкость C).

     Ферромагнитный  стабилизатор напряжения представляет собой трехстержневой магнитопровод, на среднем стержне которого расположена  первичная обмотка ω1. На правом стержне, работающем в условиях сильного магнитного насыщения, расположена вторичная  обмотка ω2. На левом ненасыщенном стержне расположена компенсационная  обмотка ωк. При колебаниях напряжения U1 на входе стабилизатора изменяется магнитный поток в среднем  стержне, но поток в правом стержне  изменяется незначительно, так как  стержень насыщен. Поэтому колебания  напряжения U2' на выходе вторичной обмотки  стабилизатора незначительны и  компенсируются напряжением Uк компенсационной  обмотки, зависимость которого от напряжения U1 имеет вид прямой линии, так  как левый стержень стабилизатора  ненасыщен. При правильном подборе  параметров обмоток и магнитопровода стабилизатора напряжение на выходе оказывается стабилизированным:

     Uст = U2' – Uк (2)

     Так, при колебаниях напряжения U1 в пределах ±20% от номинального значения при неизменных нагрузке и частоте выходное напряжение колеблется в пределах ±3%, т. е. коэффициент  стабилизации по напряжению kст ≈ 7. Обычно для ферромагнитных стабилизаторов kст не превышает 10. Основные недостатки ферромагнитных стабилизаторов: небольшой  коэффициент стабилизации по напряжению, низкий КПД (не более 40–60%), небольшой  коэффициент мощности (не более 0,4), несинусоидальное выходное напряжение. Указанные недостатки ограничивают применение ферромагнитных стабилизаторов напряжения.

Феррорезонансный  стабилизатор

Феррорезонансный  стабилизатор напряжения обладает лучшими  свойствами. Он состоит из реактора, магнитопровод которого при заданном диапазоне напряжений U1 насыщен, конденсатора C, автотрансформатора, магнитопровод  которого ненасыщен. Обмотка автотрансформатора включена так, что напряжение на выходе стабилизатора

     Uст = U2' – U2", (3)

     где U2' – напряжение на выводах реактора; U2" – напряжение на выводах автотрансформатора.

     Напряжение U2' благодаря резонансу токов  в контуре L1C, где L1 – индуктивность  реактора, имеет резко нелинейную зависимость от напряжения U1. Напряжение U2" пропорционально напряжению U1 и компенсирует изменение напряжения U2' на прямолинейном участке кривой. При этом условии напряжение на выходе стабилизатора Uст изменяется незначительно  при заданном диапазоне колебания  напряжения на входе стабилизатора. Коэффициент полезного действия феррорезонансного стабилизатора  достаточно высок и составляет 80–85%, а коэффициент стабилизации по напряжению kU = 20ч40. 

3.Примеры  использования трансформаторов.

3.1 Применение в электросетях.

Наиболее часто  трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных  приборов.

Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны  квадрату тока, проходящего через  провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие  токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому  для наиболее выгодной транспортировки  электроэнергии в электросети многократно  применяют трансформаторы: сначала  для повышения напряжения генераторов  на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения  напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Поскольку в  электрической сети три фазы, для  преобразования напряжения применяют  трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых  в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник  для всех трёх фаз общий.

Несмотря на высокий КПД трансформатора (для  трансформаторов большой мощности — свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах  электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт  на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому  трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием  конвекции или принудительно  между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие»  трансформаторы используют при относительно малой мощности  (до 16000 кВт).

3.2 Применение в источниках  электропитания.

Для питания  разных узлов электроприборов требуются  самые разнообразные напряжения. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками  или содержат в схеме дополнительные трансформаторы. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа).

В прошлом в  основном применялись трансформаторы, работающие с частотой электросети, то есть 50-60 Гц.

В схемах питания  современных радиотехнических и  электронных устройств (например в  блоках питания персональных компьютеров) широко применяются высокочастотные  импульсные трансформаторы. В импульсных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем  преобразуют при помощи инвертора  в высокочастотные импульсы. Система  управления с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет стабилизировать  напряжение. После чего импульсы высокой  частоты подаются на импульсный трансформатор, на выходе с которого, после выпрямления  и фильтрации получают стабильное постоянное напряжение.   В прошлом сетевой трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов. Дело в том, что линейные размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого трансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4. Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому современные импульсные блоки питания при одинаковой мощности значительно легче. Трансформаторы 50-60 Гц, несмотря на их недостатки, продолжают использовать в схемах питания, в случая, когда надо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех, например в высококачественном звуковоспроизведении.

3.3 Другие применения  трансформатора

Разделительные  трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети  может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании  человеком фазового провода (а также  корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что  создаёт угрозу поражения электрическим  током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора  одной рукой вполне безопасно, поскольку  вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.