Трансформатор, устройство
Трансформатор е статично електрическо устройство пренасящо чрез електромагнитна идукция променливотокова електрическа енергия от една (или повече) електрическа система към друга (или други), без изменение на честотата. Състои се от две или повече намотки навити около общ магнитопровод, галванически разделени една от друга. Намотката, на която се подава напрежение, се нарича първична, а напрежението – входящо. Напрежението, което се получава на изхода се нарича изходящо, а намотката – вторична.
Принцип на работа
Работата на трансформатора се основава на два основни принципа:
1. Променливият във времето електрически ток в първичната намотка създава променливо във времето електромагнитно поле.
2. Електромагнитното поле създава чрез електромагнитна индукция променлив електрически ток във вторичната намотка.
Електромагнитната индукция във вторичната намотка е:
съответно в първичната намотка е:
Където:
U2 e напрежението на вторичната намотка;
N2 е броят навивки на вторичната намотка;
Ф сумарният магнитен поток през една навивка;
Ако разделим вторичното на първичното напрежение, получаваме:
С цел намаляване на загубите, намотките са навити на магнитопровод от феромагнитен материал. Съществуват трансформатори, работещи на високи и свръхвисоки честоти, които са без магнитопровод. При идеалният трансформатор всички магнитни силови линии преминават през всички навивки и променливото магнитно поле създава еднаква електродвижеща сила във всяка навивка, така че сумарната електродвижеща сила е пропорционална на броя на навивките на намотката. В идеалният трансформатор също така цялата първична мощност се трансформира без загуби в електромагнитно поле и след това в енергия във вторичната верига. В идеалният трансформатор входящата мощност е равна на изходящата мощност и е равна на произведението на тока и напрежението на първична страна, както е равна и на това произведение на вторичната страна:
P1 и P2 са съответно мигновената стойност на мощността в първичната и вторичната верига.
От последните две уравнения следва:
Последното съотношение показва, че ако увеличим напрежението на вторичната страна, ще се намали тока.
Реален трансформатор
В реалният трансформатор съществува и ток на празен ход, когато трансформатора не е натоварен (вторичната верига е отворена), това води до поява на пиков пусков ток в първичната верига, няколко пъти по-голям от номиналния, и той трябва да се отчита, когато се проектират токови защити на трансформатори, при избор на комутационна апаратура и т.н.. Съществуват също така междунамотъчна, междувиткова и междуслойна капацитивност, защото при наличие на проводници разделени с диелектрик и достатъчно близо един до друг, винаги възниква паразитен капацитет.
Освен режимът на празен ход има и режим на късо съединение. При него на първичната страна се подава неголямо напрежение, при свързана накъсо вторична, с цел измерване на загубите в намотките на трансформатора. Използва се обикновено при измерване на загубите на токовите трансформатори. Разбира се има и режим на натоварване, който е нормалният режим на работа на трансформатора. При свързване на товар към вторичната намотка, започва да тече вторичен ток, който създава магнитно поле с направление, противоположно на направлението на магнитното поле на първичната намотка в резултат на това се нарушава равенството между ЕМП от индукция и ЕМП от захранването, което води до увеличаване на тока в първичната намотка, докато постепенно магнитния поток не достигне предишната си стойност.
Загуби в трансформатора
Определянето на загубите в трансформатора и стремежа към тяхното намаляване е важно, защото техният размер е обратно пропорционален на КПД-то. Загубите в трансформатора се състоят главно от загуби от нагряването на магнитопровода, загуби от хистерезис и загуби от вихрови токове.
Ако магнитопроводът е от монолитен железен блок загубите от вихровите токове ще са значителни, затова той се прави от електромагнитни стоманени ламели с добавен силиций слепени във формата на магнитопровода. Поради голямата необходимост от стомана със специални електромагнитни свойства с ниски загуби за производството на трансформатори, е намерило публичност понятието трансформаторна стомана. Формата на магнитопровода също е от съществено значение за снижаване на загубите в трансформатора, но ще се спрем на този въпрос при разглеждането на видовете трансформатори.
Не е тайна, че размерът на трансформатора зависи от неговата мощност, като при качествена трансформаторна стомана и оптимална форма на магнитопровода този размер клони към минимум. Ако се чудите каква е точната зависимост на габаритите на трансформатора от неговата мощност ето една практична формула:
Видове трансформатори
Според броя на фазите биват: еднофазни, трифазни, многофазни.
Според големината на изходното напрежение спрямо входното биват: повишаващи, понижаващи, разделителни.
Според охлаждането биват: сухи и маслени.
Според формата на магнитопровода и общия външен вид биват: Ш – образни, PL – образни, тороидални, капсуловани (за печатен монтаж).
Според предназначението: силови (за електроенергетиката, промишлеността селското стопанство),
автотрансформатори (служат за изменение на напрежението в определени граници),
измервателни (за измерване на ток и напрежение, когато стойностите им са неподходящи за непосредствено измерване с измервателните апарати).
Въртящ се трансформатор
Съществуват и т.н. въртящи (или завъртащи се) трансформатори. Конструктивно те представляват малогабаритна индукционна електрическа машина с променлив коефициент на връзката между намотките (променлив коефициент на взаимна индукция) т.е. променлив коефициент на трансформация. Принципно представляват сензор за ъгъл на завъртане. Използват се в корабите за завъртане на руля на кораба.
Роторът на въртящия се трансформатор е направен от електротехническа стомана и представлява магнитен комутатор. Върху ротора няма намотки, което позволява да се намалят размерите и теглото му. При безконтактният въртящ се трансформатор няма четков контакт (оттук названието „безконтактен”) и е без гъвкави проводници, препятстващи лесното завъртане на ротора и понижаващи надеждността на работа. Статорът на въртящия се трансформатор е направен като статора на ел. двигател и има четири явно изразени полюса. На два съседни полюса е разположена едната бобина на първичната намотка, a на другите два – бобините на вторичните намотки. Бобините на вторичните намотки имат еднакъв брой навивки и са навити противоположно.
Начин на работа на въртящ се трансформатор
Към първичната намотка се подава променливо напрежение. Променливият ток, като протича през първичната намотка, създава променлив магнитен поток. От своя страна магнитният поток индуктира във всяка от вторичните намотки електродвижещи напрежения (ЕДН) с амплитуда и фаза, зависещи от положението на ротора. Така например ако роторът е разположен симетрично спрямо полюсите на вторичните намотки, магнитният поток се разпределя (от ротора) равномерно и във вторичните намотките се индуктират равни по амплитуда, но противоположни по фаза ЕДН, общото ЕДН, което се получава на изходните клеми на въртящия се трансформатор, е равно на нула.
При завъртане на ротора от средно положение равномерността на разпределяне на магнитния поток между полюсите на вторичните намотки се нарушава, тъй като магнитната проводимост на единия чифт полюси (на първичната и на вторичните намотки) се увеличава, а на другия чифт се намалява. Увеличението на магнитния поток, преминаващ през навивките на едната вторична намотка, предизвиква увеличение на ЕДН1. В същото време намаляването на магнитния поток в другата намотка води до понижаване на ЕДН2. Благодарение на това на изходните клеми на трансформатора се появява резултантно ЕДН различно от нула.
