Принцип работы трансформатора. Устройство и режимы работы

Номинальная мощность, напряжение и ток

Как было отмечено выше, автотрансформатор состоит из одной катушки. Её наматывают на обычный или на тороидальный сердечник.

Тороидальный трансформатор
Тороидальный трансформатор

В силу конструктивных особенностей у него отсутствуют гальванические развязки между цепями, что может привести к поражению высоковольтным током. Поэтому понижающий автотрансформатор, ввиду его повышенной опасности, требует принятия дополнительных мер по защите от поражения электротоком. Работа с ним допускается при условии строгого соблюдения правил безопасности.

Несмотря на особенности строения обмоточной части агрегата, его принцип действия очень напоминает работу обычного трансформатора. По такому же принципу во время циркуляции переменного тока возникает магнитный поток в сердечнике. Его действие на обмотку характеризуется появлением на каждом отдельном витке равновеликой электродвижущей силы. Суммарная ЭДС на отрезке обмотки равна сумме величин токов всех отдельно взятых витков.

Особенностью является то, что по обмотке циркулирует ещё и первичный ток, который оказывается в противофазе к индукционному потоку. Результирующие значения этих токов на участке обмотки, предназначенной для потребителя, получаются меньшими (для понижающего тр.) чем параметры поступающего электричества.

Схема понижающего автотрансформатора
Схема понижающего автотрансформатора

Соотношение величин ЭДС выражается формулой: E1/E2 = w1/w2 = k , где E – ЭДС, w – количество витков, k – коэффициент трансформации.

Учитывая то, что падение напряжений в обмотках трансформатора невелико – его можно не учитывать. В таком случае равенства: U1 = E1; U2 = E2 можно считать справедливыми. Таким образом, приведённая выше формула приобретает вид: U1/U2 = w1/w2 = k, то есть, соотношение напряжений к числу витков такое же, как и для обычного трансформатора.

Примечательно, что мощность нагрузки образуют токи электромагнитной индукции и электрической составляющей. Электрическая мощность ( P = U2*I1 ) довольно ощутима, в сравнении с индукционной составляющей, поступающей во вторичную цепь. Поэтому, чтобы получить требуемую мощность, используются меньшие значения сечений для магнитопроводов.

Итак, конструкция трансформатора достаточно проста и состоит из сердечника и двух катушек из медной проволоки. В основе принципа работы лежит электромагнитная индукция. Чтобы вы поняли, как работает этот прибор, рассмотрим, как магнитное поле, образуемое в катушках (обмотках) устройства, изменяет показатель напряжения.

Подаваемый на первую обмотку электрический ток (он переменный, поэтому изменяется по направлению и величине) образует в катушке магнитное поле (оно также переменное). В свою очередь магнитное поле образует во второй катушке электрический ток. Такой своеобразный обмен параметрами. Но просто так изменение напряжения не произойдет, оно зависит от того, сколько витков медной проволоки в каждой обмотке. Конечно, величина изменения магнитного поля (скорость) также влияет на величину напряжения.

Что касается количества витков, то получается так:

  • если число витков в первичной катушке больше, чем во вторичной, то это понижающий трансформатор;
  • и, наоборот, если количество витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то это повышающий трансформаторный прибор.

k=w1/w2, где w – это число витков в катушке с соответствующим номером.

И еще один момент, касающийся устройства. Это сердечник трансформатора. Все дело в том, что существуют разные виды этого устройства, в которых сердечник присутствует или отсутствует.

  • Так вот, в тех видах, где сердечник трансформатора отсутствует или изготовлен из феррита или альсифера называются высокочастотными (выше 100 кГц).
  • Приборы с сердечником из стали, феррита или пермаллои – низкочастотные (ниже 100 кГц).

Первые используются в радио- и электросвязи. Вторые в для усиления звуковых частот, к примеру, в телефонии. Со стальным сердечником используется в электротехнике (в бытовых приборах в том числе).

1 – первичная обмотка трансформатора

Принцип работы трансформатора. Устройство и режимы работы

2 – магнитопровод

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.

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.

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.

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

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.

Его первичная обмотка  – это цифры 1, 2.

Вторичная обмотка – цифры 3, 4.

N1  – 2650 витков,

N2 – 18 витков.

Подключаем первичную обмотку трансформатора к 220 Вольтам

Принцип работы трансформатора. Устройство и режимы работы

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)

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.

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.

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 😉

Условные обозначения и параметры

Приобретая трансформатор, необходимо понимать, что написано на его корпусе или в сопроводительных документах. Ведь существует определенная маркировка трансформаторов, которые определяют его назначение. Основное, на что необходимо обратить внимание, до какого показателя этот прибор может снизить напряжение. К примеру, 220/24 говорит о том, что на выходе получится ток напряжением 24 вольта.

А вот буквенные обозначения чаще всего говорят о типе устройства. Кстати, имеется в виду буквы, стоящие после цифр. К примеру, О или Т – одно- или трехфазный соответственно. То же самое можно сказать о количестве обмоток, о типе охлаждения, о способе и месте установки (внутренние, наружные и прочее).

Расшифровка маркировки трансформатора
Расшифровка маркировки трансформатора

Что касается параметров трансформатора, то существует определенный стандартный ряд, который и определяет характеристики прибора. Их несколько:

  • Напряжение в первичной катушке.
  • Напряжение во вторичной катушке.
  • Первичная сила тока.
  • Вторичная сила тока.
  • Общая мощность аппарата.
  • Коэффициент трансформации.
  • КПД.
  • Коэффициент мощности и нагрузки.
Обозначение на схемах
Обозначение на схемах

K=I2/I2н, где второй показатель силы – это сила тока при номинальном напряжении.

Конечно, характеристики трансформатора – это достаточно большой ряд всевозможных показателей, от которых зависит сама работа прибора. Здесь и мощность потерь, и внутреннее сопротивление в обмотке.

Как сделать самостоятельно

Итак, как сделать трансформатор самому? Зная, принцип работы установки и его конструктивные особенности, можно собрать своими руками простейший аппарат. Для этого вам понадобится любое металлическое кольцо, на котором надо накрутить два участка обмотки. Самое важно – обмотки не должны касаться друг друга, а место их намотки не зависит конкретно от их расположения. То есть, они могут быть размещена напротив друг друга или рядом. Важно – даже небольшое расстояние между ними.

Как уже было сказано выше, количество витков в обмотках определяет, какой прибор вы собираете – понижающий или повышающий. К примеру, если вы на первичной обмотке соберете 1200 витков, а на вторичной всего лишь 10, то на выходе вы получите напряжение 2 вольта. Конечно, при подключении первичной катушки к напряжению 220-240 вольт.

Как правильно подключить

Что касается монтажа трансформатора, особенно его понижающего типа в быту дома, то необходимо знать некоторые нюансы проводимого процесса.

  • Во-первых, это касается самого устройства. При монтаже трансформатора иногда появляется необходимость подключения не одного потребителя, а сразу нескольких. Поэтому обращайте внимание на количество выходных клемм. Конечно, необходимо знать, что суммарная потребляемая мощность потребителей не должна быть больше мощности самого трансформаторного устройства. Во всяком случае, специалисты рекомендуют, чтобы второй показатель был всегда больше первого на 15-20%.
  • Во-вторых, подключение трансформатора производится электрической проводкой. Так вот ее длина и до прибора, и после не должна быть очень большой. К примеру, понижающий аппарат для светодиодного освещения предполагает наличие проводки от него до светильников не больше двух метров. Это позволит избежать больших потерь мощности.
Схема подключения понижающего трансформатора
Схема подключения понижающего трансформатора
  • В-третьих, место установки электрического понижающего прибора должно быть выбрано правильно. Самое важное, чтобы до него всегда можно было бы добраться просто, особенно когда есть необходимость провести демонтаж со следующей заменой и монтажом трансформатора. Поэтому перед тем как подключить трансформатор, необходимо определиться с его местом установки.

Во всех тонкостях электрики сложно разобраться простому человеку, но при использовании трансформатора понижающего типа в быту важно понимать, как происходит процесс подключения.

Бывает, что возникает потребность подключения агрегата сразу на нескольких потребителей.

Стоит знать:

  1. При подключении трансформатора сразу на несколько потребителей важно учитывать количество выходных клемм.
  2. Общая потребляемая мощность для жильцов должна быть идентичной мощности трансформатора либо немного ниже. По мнению специалистов, идеальный второй показатель выше первого – на 20%.
  3. Подключается агрегат через электрическую проводку, размер которой не должен быть слишком большим. Достаточно 2 м при монтаже светодиодного освещения во избежании потери мощности.
  4. Суммарная мощность электроприборов не должна быть выше мощности трансформатора.

Если посмотреть на схему подключения понижающего трансформатора, то видно, что монтируется между распределительной коробкой мощностью 220 Вт и лампами накаливания. Провода из распредкоробки подключаются непосредственно к выключателю.

Подключение трансформатора напряжения
Подключение трансформатора напряжения

При подключении важно, чтобы совпадали все уравнения, касающиеся модели прибора. Также существенное значение имеет фазировка, если в одну цепь подключается сразу несколько приборов параллельно. Во избежание больших потерь мощности фазы должны быть правильно соединены между собой с образованием замкнутого контура. При несовпадении фаз начнет расти нагрузка и падать мощность. Может произойти короткое замыкание.

Трансформатор – электромагнитный аппарат. Повышает либо понижает напряжение переменного тока. Он лишен подвижных частей. Значит, является статическим. По размерам бывает с трехэтажное здание либо миниатюрное, помещаемое в руку. В составе – сердечник и несколько обмоток с расположением на магнитопроводе. Хотя может содержать всего одну обмотку без сердечника.

Принцип работы трансформатора. Устройство и режимы работы

При работе трансформатора срабатывает принцип электромагнитного взаимодействия. Переменный ток подается на первичную обмотку, меняет направление дважды за цикл. Значит, что вокруг обмотки образуется магнитное поле, но ежесекундно исчезает. Вторичная обмотка – проводник электромагнитного взаимодействия. Там же индуцируется напряжение.

Конечно, простому человеку сложно понять конструкцию, назначение прибора. Для познания можно просто разобрать, прозвонить, подключить или демонтировать в домашних условиях.

Схема замещения

Буквально несколько слов о том, что такое схема замещения трансформатора. Начнем с того, что две катушки соединены между собой магнитным полем, поэтому проанализировать работы трансформатора, а тем более его характеристики, очень сложно. Поэтому для этих целей сам прибор заменяют моделью, которая и называется схема замещения трансформатора.

По сути, все переводится на математический уровень, а точнее, в уравнения (токов и электрического состояния). Здесь важно, чтобы все уравнения, касающиеся прибора и его модели, совпадали. Кстати, для многих схема замещения трансформатора достаточно сложна, поэтому существует упрощенный вариант, в котором нет тока холостого хода, ведь на него приходится незначительная часть.

Закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается ЭДС напряжение. Вычисляется по формуле – U2 = −N2*dΦ/dt.

Принцип работы трансформатора. Устройство и режимы работы

Все факты содержатся в одном уравнении. Однако, знак минус в законе – правило Ленца, указывающее на возникновение индукционного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, начинающего противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, ведь индукционный ток появляется как в обмотках, так и в сплошных металлических блоках.

Уравнения идеального трансформатора

В таком трансформаторе силовые линии проходят через все ветки первичной, вторичной обмотки. Значит, отсутствуют вихревые потоки и потери энергии. Магнитное поле изменяется, но порождает идентичную ЭДС во всех витках, поэтому становится прямо пропорциональным их общему числу.

Энергия при поступлении из первичной цепи трансформируется в магнитное поле, далее поступает во вторичной цепи.

Формула уравнения идеального трансформатора – P1 = I1 • U1 = P2 = I2 • U2:

  • R1 – коэффициент поступающей мощности из первой цепи на трансформатор;
  • R2 – коэффициент преобразованной мощности с поступлением во вторичную цепь.

Если повысить напряжение на концах вторичной обмотки, то снизится уровень тока первичной цепи. Согласно уравнению – U2/U1 = N2/N1 = I1/I2 преобразование сопротивления одной цепи к сопротивлению другой возможно только при умножении величины на квадрат отношения.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  Клапан для унитаза запорное и впускное устройство для бачка
Оцените статью
MALIVICE.RU
Adblock
detector