Изобретателем трансформатора является русский ученый П.Н.Яблочков. В 1876г. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником, подобные применяемым в настоящее время, появились значительно позднее, в 1884г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого времени не применялся.
Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки – вторичными.
Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение.
Применив трансформатор с обратным соотношением витков, можно так же легко и просто получить пониженное напряжение.
С допустимой для практики точностью можно считать, что отношение числа витков первичной обмотки к вторичной равно отношению приложенного напряжения к выходному.
коэффициентом трансформации
силовыми.
Общее устройство трансформаторов
Общее устройство трансформатора видно из представленного рисунка – это магнитопровод, набранный из отдельных пластин; обмотки, выполненные проводом; каркас из изоляционного материала, на котором намотаны обмотки.
 |
Рисунок 1
Трансформатор, входящий в состав выпрямителя и предназначенный для питания лампового радиоприёмника, имеет следующие обмотки:
- первичную, включаемую в сеть;
- вторичную повышающую, дающую выпрямляемое напряжение;
- вторичную понижающую, дающую напряжение для накала кенотрона;
- вторичную понижающую, дающую напряжение для накала усилительных ламп радиоприёмника.
экранная обмотка
Первичная обмотка
Напряжение сети нередко колеблется под влиянием изменения нагрузки. Днем оно бывает нормальным, например 220 В, а вечером падает до 180-190 В , ночью и ранним утром повышается до 230-240 В. В таких случаях первичную обмотку иногда разбивают на ещё более мелкие секции (делают отводы, рассчитанные на напряжение 90, 100, 110, 120, 130, 180, 200, 220 и 240 В).
Такая секционированная первичная обмотка позволяет подключать к сети количество витков, соответствующее фактическому напряжению, и таким образом обеспечивает нормальные напряжения для работы приемника.
Если от сети с колеблющимся напряжением питается радиоприемник или какое-либо другое радиоустройство, трансформатор которого не имеет подобных мелкосекционированных обмоток, приходится прибегать к помощи автотрансформатора. Последний специально изготовляется с большим числом отводов, переключая которые можно регулировать напряжение, подводимое к приемнику.
Вторичная повышающая обмотка
совершено одинаковы
Накальные обмотки
Все обмотки трансформатора для лучшего использования его объема и для предохранения от пробоя изоляции проводов следует наматывать аккуратно, виток к витку. Слои обмоток нужно отделить один от другого тонкой пропарафинированной бумагой, а между обмотками прокладывать слой изолировочной ленты, тонкого электрокартона или два-три слоя лакоткани (специально изоляционной ткани, пропитанной лаком).
Чтобы крайние витки сползали в щель между щечкой каркаса и краем обмотки и верхние витки не касались нижних, находящихся под большим напряжением один относительно другого, прокладки следует делать на 6-8 мм шире длины каркаса, а края этой прокладки надрезаны и загнуты.
Каркас для намотки трансформатора обычно изготовляется из специального электрокартона или обычного плотного картона. Размеры каркаса определяются размерами стального сердечника трансформатора.
Сердечник
 |
Рисунок 2.
После намотки трансформатора каркас должен быть возможно плотнее заполнен трансформаторной сталью. Набивать силовой трансформатор надо вперекрышку: на то место, где был стык пластин, следующие пластины класть сплошной частью. Все пластины кладутся изолированной поверхностью в одну сторону.
Пластины трансформатора должны быть туго стянуты болтами, проходящими через специальные отверстия. Если пластины не имеют отверстий, они стягиваются при помощи стальных обжимок или деревянных брусочков.
Классификация трансформаторов
Трансформаторы можно классифицировать по признаку функционального назначения как: трансформаторы питания и трансформаторы согласования.
Рассмотрим трансформаторы питания, их можно классифицировать
1. По напряжению:
- низковольтные
- высоковольтные
- высокопотенциальные
2. В зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения
- однофазные
- трёхфазные
3. В зависимости от числа обмоток
- двухобмоточные
- многообмоточные
4. В зависимости от конфигурации магнитопровода
- стержневые
- броневые
- тороидальные
5. В зависимости от мощности
- малой мощности
- средней мощности
- большой мощности
6. В зависимости от способа изготовления магнитопровода
- пластинчатые
- ленточные
7. В зависимости от коэффициента трансформации:
- повышающие
- понижающие
8. В зависимости от вида связи между обмотками:
- с электромагнитной связью (с изолированными обмотками)
- с электромагнитной и электрической связью(со связанными обмоками)
9. В зависимости от конструкции обмотки:
- катушечные
- галетные
- тороидальные
10. В зависимости от конструкции всего трансформатора
- открытые
- капсулированные
- закрытые
11. В зависимости от назначения:
- выпрямительные
- накальные
- анодно-накальные и т.д.
12. В зависимости от рабочей частоты трансформаторы делят на трансформаторы:
- пониженной частоты (менее 50 Гц)
- промышленной частоты (50 Гц)
- повышенной промышленной частоты (400, 1000, 2000 Гц)
- повышенной частоты (до 10000 Гц)
- высокой частоты
Конструктивные особенности некоторых видов трансформаторов
Основными частями трансформатора являются магнитопровод и катушка с обмотками.
Материалом для магнитопровода трансформаторов служит листовая электротехническая сталь различных марок и толщины, горячей прокатки и холоднокатаная; от содержания кремния, которое отражено в марке стали, а также от толщины листа зависят потери мощности в магнитопроводе от вихревых токов. Толщину листа применяемой стали выбирают в зависимости от частоты сети, питающей трансформатор: с увеличением частоты толщину листа надо уменьшать. Ленточные (витые) магнитопроводы изготавливают из лент рулонной стали; предварительно лента покрывается изолирующим и склеивающим составом.
Стержневые магнитопроводы
Сборка частей магнитопровода может производиться встык и вперекрышку, причем в последнем случае увеличивается механическая прочность и уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода. При сборке встык пластины собирают в единый пакет и предусматривают изоляционную прокладку между пакетами для предохранения от замыкания между отдельными листами магнитопровода. Сборка встык упрощает монтаж и демонтаж трансформатора. Пластины магнитопровода скрепляют в пакет либо с помощью изолированных от магнитопровода шпилек либо с помощью специальных бандажей из капроновых ниток.
Броневые магнитопроводы
Поскольку в броневом магнитопроводе обмотка размещается на среднем стержне, магнитный поток разветвляется на правую и левую части и, таким образом, в крайних стержнях его значение будет в 2 раза меньше, чем в центральном; это позволяет уменьшить сечение крайних стержней в 2 раза по сравнению с центральным. собирают из отдельных штампованных колец, покрытых изолирующим лаком; сборка производится с помощью намотки на пакет пластин ленточной лакоткани. Этот магнитопровод обладает наилучшими магнитными свойствами: наименьшее магнитное сопротивление, минимальные индуктивность рассеивания и чувствительность к внешним магнитным полям, однако изготовление обмоток в данном случае может производиться только на специальных станках челночного типа или вручную.
Ленточные магнитопроводы стержневого и броневого типа, Тороидальные ленточные магнитопроводы
Рисунок 3, Обмотки трансформатора
При диаметре провода более 1 мм каркас выполняется из электрокартона, а отдельные слои обмотки перевязываются хлопчатобумажной лентой.
Обмоточные провода маркируются по диаметру, виду изоляции и нагревостойкости.
Для повышения электрической прочности трансформаторы после сборки пропитывают электроизоляционными лаками, а иногда заливают специальными компаундами.
трансформаторах средней мощности
низковольтных трансформаторах (до 100 В) малой мощности
высоковольтных трансформаторах (свыше 1000В)
низковольтных трансформаторах
Рисунок 4.
Достоинство такого расположения обмоток — небольшое значение магнитного потока рассеяния из-за меньшей толщины намотки и небольшой расход обмоточных проводов, так как снижение толщины намотки ведет к уменьшению средней длины витка обмотки.
трансформаторах с броневыми магнитопроводами
трехфазном трансформаторе
тороидальных трансформаторах
Стержневые, Тороидальные магнитопроводы
В конструкции трансформатора должна быть предусмотрена панель, к которой припаиваются выводы обмоток. Корпус трансформатора (накладки, обоймы, скобы) электрически соединяется с магнитопроводом и заземляется. Эта мера необходима из соображений техники безопасности на случай пробоя одной из обмоток.
Виды трансформаторов, Выходной трансформатор
Кроме силовых трансформаторов, в ламповых радиоприемниках и усилителях употребляют выходные, междуламповые (или переходные) и входные (в усилителях низкой частоты) трансформаторы.
Выходные трансформаторы применяются для согласования сопротивления громкоговорителя с сопротивлением анодной цепи выходной лампы. Согласование это необходимо для того, чтобы можно было получить от лампы ту мощность, на которую она рассчитана. Отдать же наибольшую мощность лампа может только в том случае, если в анодной цепи ее стоит нагрузка с сопротивлением, являющимся оптимальным для данной лампы. В справочниках эта оптимальная нагрузка обозначается обычно R а или Rа опт .
Анодная нагрузка выходных низкочастотных ламп составляет обычно несколько тысяч Ом, в то время как сопротивление обмоток современных громкоговорителей равна единицам Ом. Если громкоговоритель с такой низкоомной звуковой катушкой включить прямо в анодную цепь лампы, то только маленькая доля мощности будет расходоваться на громкоговорителе, а вся остальная мощность будет бесполезно тратиться на нагрев лампы. При включение же в анодную цепь лампы понижающего трансформатора, к выходной обмотке которого подключен громкоговоритель, положение резко изменится.
Трансформатор, понижая напряжение, действующее в анодной цепи лампы, в то же время как бы «повышает» сопротивление, подключенное к анодной цепи. Если коэффициент трансформации выходного трансформатора равен 20:1, т.е. во вторичной (выходной) обмотке в 20 раз меньше витков, чем в первичной (анодной), то напряжение, подводимое к громкоговорителю, будет в 20 раз меньше действующего на аноде лампы, а сопротивление, «ощущаемое» лампой, станет в 400 раз больше сопротивления обмотки громкоговорителя, т.е. возрастет в 20*20=20 2 раз.
Расчет выходного трансформатора сложен для начинающего радиолюбителя, поэтому в таблице приведены данные обмоток выходных трансформаторов для наиболее употребляемых выходных ламп и громкоговорителей.
Входные трансформаторы
Входные трансформаторы служат для согласования входа усилителя звуковой частоты с микрофоном, звукоснимателем или магнитной головкой. Так как максимальная амплитуда переменного напряжения для входных трансформаторов бывает не более 1В, то их изготовляют повышающими. Входные трансформаторы должны иметь повышенную помехозащищенность и слабую чувствительность к воздействию внешних магнитных полей, так как в противном случае в них могут появиться значительные напряжения помех.
Для уменьшения помех входные трансформаторы тщательно экранируют, оси их обмоток располагают перпендикулярно к магнитным силовым линиям источника помех, а также принимают меры по возможно большему удалению входных цепей от выходного трансформатора и трансформатора питания.
Учитывая, что наименьшей чувствительностью к воздействию внешних магнитных полей обладают трансформаторы с магнитопроводами броневого или тороидального типа, входные трансформаторы изготавливаются на штампованных или ленточных сердечниках из пермаллоя. 80НХС или 79НМ, а также из стали. Входные трансформаторы помещают в экран или опрессовывают пластмассой. Их крепят на печатных платах с помощью «лапок» или непосредственно пайкой выводов из луженой проволоки диаметром 1 – 1,5 мм.
Междуламповые и междукаскадные трансформаторы.
Междукаскадные трансформаторы применяются для связи в УЗЧ, получающих питание от автономных источников, так как в этом случае от усилителя необходимо получить максимальный коэффициент усиления при минимальном количестве транзисторов и радиоламп.
Конструктивно междукаскадные трансформаторы не отличаются от входных. Они изготавливаются с коэффициентом трансформации не более чем 1:4, так как больший коэффициент вызывает большие гармонические искажения.
Междуламповые трансформаторы употребляются, когда при ограниченном количестве ламп и небольшом анодном напряжении необходимо получить большое усиление. Такие требования часто предъявляются к батарейным радиоприемникам.
Междуламповые трансформаторы большей частью делают с малым сечением стального сердечника (1,5 – 3 см 2 ).
Первичные обмотки, включаемые в анодную цепь лампы, обычно состоят из 3000 – 5000 витков эмалированного провода диаметром 0,08 – 0,1 мм . Вторичные обмотки трансформаторов имеют от 6000 до 20 000 витков того же провода, что и первичная обмотка.
Коэффициент трансформации междуламповых трансформаторов, т.е. отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки, берутся в пределах от 1:2 до 1:5.
Казалось бы, что для большего усиления надо иметь большие коэффициенты трансформации. Однако при повышении коэффициента трансформации даже только до 1:4, 1:5 трансформаторы уже дают заметно худшее качество воспроизведения звука, чем трансформаторы с коэффициентом 1:2. Причина в том, что при очень большом количестве витков во вторичной обмотке ее собственная емкость становится настолько большой, что ухудшает трансформацию верхних звуковых частот.
Кроме того, намотанный тонким проводом междуламповый трансформатор является наиболее надежной деталью приемника или усилителя.
Поэтому по возможности междуламповый трансформатор не следует применять.
Применение переходных трансформаторов в сетевых приемниках нежелательно ещё потому, что при использовании междулампового трансформатора очень трудно избавится от прослушивания фона переменного тока. Это явление вызывается тем, что магнитный поток силового трансформатора не весь замыкается по сердечнику. Часть потока проходит в окружающем пространстве, пересекает витки обмотки междулампового трансформатора и наводит в нем переменное напряжение. Наведенное напряжение усиливается и, попадая в громкоговоритель, создает неприятное гудение.
Расчет сетевого (силового) трансформатора
Классический расчет трансформатора достаточно сложен и требует знания почти всех характеристик, которые мы не можем знать, т.к. для использования мы берем всегда случайно попавший к нам сердечник. Поэтому, здесь для расчета трансформатора предлагается эмпирический метод, многократно проверенный радиолюбителями и основанный на практическом применении.
Для расчета сетевого трансформатора необходимо знать исходные данные, а именно напряжения и токи каждой обмотки. Первым шагом является определение суммарной мощности, которая вычисляется как сумма мощностей, потребляемой каждой об-моткой (мощность — это произведение тока на напряжение), поэтому:
, где U1I1, U2I2 и т.д. — произведения напряжений и то-ков вторичных обмоток (здесь ток — это максимальный ток нагрузки).
Теперь определяем габаритную мощность, которая получается при делении на КПД:
КПД заранее знать нельзя, но ее можно определить по таблице 1:
Зная габаритную мощность трансформатора, находим сечение рабочего керна его сердечника, на котором находится катушка:
S — получается в квадратных сантиметрах.
Теперь находим ширину рабочего керна сердечника по формуле: 
По полученному значению а (см.) выбираем из имеющихся в наличии сердечников данное значение (можно больше), и находим толщину пакета с (см.):
Теперь определяем количество витков, приходящихся на 1 вольт напряжения:
Коэффициент К обычно лежит в пределах от 35 до 60. В первую очередь он зависит от свойств пластин стали сердечника. Для стали толщиной 0,35 мм, для сердечников С-образной формы, витых из тонкой стали, К=35. Для сердечников О-образной формы, собранный из П- или Г-образных пластин без отверстий по углам, берем К=40. Если применяются пластины типа Ш без отверстий, то К=45, с отверстиями К=50. Для пластин Ш-образной формы с отверстиями, толщиной 0,35 мм, К=60. Т.е. значением К можно варьировать, но учитывать, что уменьшение К облегчает намотку, но ужесточает работу трансформатора. При применении пластин из высококачественной стали этот коэффициент можно немного уменьшить, а при низком качестве нужно увеличить.
Теперь можно найти количество витков первичной обмотки:
Для определения количества витков вторичной обмотки, необходимо вводить дополнительный коэффициент m, учитывающий падение напряжения на ней:
Коэффициент m зависит от силы тока, протекающего по данной обмотке, табл.2:
Диаметр проводов вторичных обмоток можно найти:
где d-диаметр провода по меди, мм; I-сила тока в обмотке, А; p-коэффициент, учитывающий допустимый нагрев, зависящий от марки провода, табл. 3:
Силу тока в первичной обмотке можно определить так:
Пример расчета
Нужно рассчитать трансформатор со следующими данными:
- U1=6,3В, I1=1,5А;
- U2=12В, I2=0,3А;
- U3=120В, I3=0,059А. Находим суммарную мощность: Рсумм=6,3*1,5+12*0,3+120*0,059=20,13 Вт. С помощью табл.1 определяем габаритную мощность: Рг=20,13/0,85=23,7 Вт. Находим сечение трансформатора:
Находим приближенное значение ширины рабочего керна:
Выбираем пластины трансформатора типа Ш-19, для которых а=1,9 см, и находим толщину пакета:
с=S/a=5,84/1,9=3,1 см.
Фактически полученное сечение рабочего керна сердечника:
S=ac=1,9*3,1=5,89 см2.
Определяем коэффициент К. Допустим, что используются пластины трансформаторной стали типа Ш-19 без отверстий по углам. Тогда К=45.
Находим количество витков на 1 В:
n=K/S=45/5,89=7,64.
Определяем количество витков первичной обмотки при питании от сети напряжением 220 В:
WI=UI*n=220*7,64=1680 витков.
Находим из табл. 3 коэффициент m для каждой из вторичных обмоток:
- при I1=1,5A, m1=1,04;
- при I2=0,3A, m2=1,02;
- при I3=0,059A, m3=1,00.
Определяем количество витков каждой из вторичных обмоток с округлением до ближайшего целого числа:
- W1=m1U1n=1,04*6,3*7,64=50 витков;
- W2=m2U2n=1,02*12*7,64=94 витков;
- W3=m3U3n=1,00*120*7,64=917 витков;
Находим силу тока в первичной обмотке:
I1=Pг/Uсети=23,7/220=0,108 А.
Находим диаметр провода первичной обмотки:
Находим диаметры проводов вторичных обмоток. Для этого составляем таблицу намоточных данных, где диаметры проводов по меди выбраны из ближайших больших стандартных значений, а диаметры проводов в изоляции взяты на 10% больше, чем диаметры проводов по меди, табл. 4.
Практическое применение трансформатора
Трансформаторы широко используются в промышленности и быту для различных целей:
1. Для передачи и распределения электрической энергии.
Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ).
Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.
Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В (рис. 6)
Рис. 6. Трансформатор в схеме передачи и распределения энергии
2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются преобразовательными.
3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.
4. Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.
5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются измерительными.
Список используемой литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/silovyie-transformatoryi-i-avtotransformatoryi/
1. Боровик С.С., Бродский М.А. Ремонт и регулировка бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Вышэйшая школа. Минск, 1989.
2. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. Т.1. Высшая школа. М., 1987.
3. Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры, Москва «Радио и связь», 1994.
4. http://elcs.narod.ru/articles2.html
5.
Электрические аппараты
Синхронные машины. Машины постоянного тока
Оборудование летательных аппаратов
Электронные схемы для дома и быта
Ответы к экзаменационным билетам по физике 11 класс (ответы к 29 билетам)
Полные ответы на билеты по автоделу (экзамен 2002)
Наладка электрооборудования
Виды и применение трансформаторов
Трехфазные электрические цепи, электрические машины, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока
Электрооборудование автомобилей
Билеты по физике
Трансформаторы
Техническое обслуживание рельсовых цепей
Монтаж и эксплуатация электрооборудования
Электротехнические материалы, применяемые в силовых трансформаторах
Генератор электрических искр – генератор новых идей
Энергосбережение на современном этапе
