Лекция
трансформатор — это электрический аппарат, предназначенный для преобразования напряжения и тока в электрической цепи переменного тока. Он работает на основе принципа электромагнитной индукции, открытого Майклом Фарадеем. Основная функция трансформатора — изменение уровня напряжения, что позволяет эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния и использовать ее в различных устройствах. Трансформатор - это статический электромагнитный аппарат, преобразующий параметры электрической энергии переменного тока (напряжение, ток, форму, число фаз и пр.). Трансформатор представляет собой магнитопровод с нанесенной на него одной или несколькими обмотками .
рис. классификация трансформаторов
В зависимости от назначения трансформаторы делят на силовые, согласующие, разделительные и импульсные.
По схемному исполнению различают однообмоточные или автотрансформаторы и многообмоточные (рисунок 1).
Рисунок 1 – Автотрансформатор (а) и многообмоточный трансформатор (б)
По конструктивному исполнению трансформаторы различают: броневые, стержневые, тороидальные, трехфазные, кольцевые и кабельные. Все они отличаются условиями охлаждения и индуктивностью рассеяния. Расположение обмоток на магнитопроводах (сердечниках) черным цветом показано на рисунке 2.
Рисунок 2. – Конструктивное исполнение трансформаторов
Часть магнитопровода, на которую нанесена обмотка, называется стержень, а открытая часть – ярмо. Наименьшей индуктивностью рассеяния обладает тороидальный трансформатор (весь магнитопровод охвачен обмотками!), а наибольшей – кабельный. Наихудшими условиями охлаждения сердечника также обладает тороидальный трансформатор, поскольку потерям (теплу) из сердечника уходить некуда. Наиболее известны и распространены первые три конструкции. Их расположение в порядке возрастания индуктивности рассеяния: в, б, а. Расположение в порядке улучшения условий охлаждения сердечника такое же: в, б, а. Именно проблема отвода тепла привела к появлению трансформаторов с воздушными радиаторами, с водяным и с масляным охлаждением, но это уже специальные типы трансформаторов.
Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую и имеют за счет этого не только магнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные электрические напряжения.
Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. В промышленных сетях, где наличие заземления нулевого провода обязательно, этот фактор роли не играет, зато существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.
Распространены аббревиатуры:
ЛАТР — Лабораторный АвтоТрансформатор Регулируемый.
РНО — Регулятор Напряжения Однофазный.
РНТ — Регулятор Напряжения Трехфазный.
Схема «безопасного» автотрансформатора. Слева — обычное включение. Справа — через разделительный трансформатор( применяются там, где необходима гальваническая развязка первичной и вторичной (нагрузка) цепей, а также изоляция подключаемого оборудования от контура заземления. Для повышения электробезопасности электрооборудование рекомендуется подключать в сеть через разделительный трансформатор)
Схема понижающего автотрансформатора с плавной регулировкой выходного напряжения
Предположим, что источник электрической энергии (сеть переменного тока) подключен к виткам ω 1 обмотки автотрансформатора, а потребитель — к некоторой части этой обмотки ω 2.
При прохождении переменного тока по обмотке автотрансформатора возникает переменный магнитный поток, индуцирующий в этой обмотке электродвижущую силу, величина которой прямо пропорциональна числу витков обмотки.
Следовательно, если во всей обмотке автотрансформатора, имеющей число витков ω 1, индуцируется электродвижущая сила E1, то в части этой обмотки, имеющей число витков ω 2, индуцируется электродвижущая сила E2. Соотношение величин этих ЭДС выглядит так:
— коэффициент трансформации.
Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливыми равенства 
где U1 — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков ω 1;
U2 — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков ω 2.
Следовательно, 
.
Напряжение U1, приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам ω 1 обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения U2, снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков ω 2, во сколько раз число витков ω 1 больше числа витков ω 2.
Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения U2 в нем возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как I2.
Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как I1.
Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков(ω 1-ω 2) будет отличаться от тока в нижней ее части, имеющей количество витков ω 2. Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток I1, а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов I1 и I2. Дело в том, что согласно правилу Ленца индуцированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора ω 2 направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи I1 и I2. в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.
Сами токи I1 и I2., как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением 
или 
.
Так как в понижающем трансформаторе 
и результирующий ток в нижней обмотке автотрансформатора равен I2-I1.
Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подается напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть I2-I1 << I2.
Это позволяет значительно снизить расход энергии в обмотке автотрансформатора на нагрев ее проволоки (См. Закон Джоуля — Ленца) и применить провод меньшего сечения, то есть снизить расход цветного металла, уменьшить вес и габариты автотрансформатора.
Если автотрансформатор повышающий, то напряжение со стороны источника электрической энергии подводится к части витков обмотки трансформатора ω 1, а на потребитель подводится напряжение со всех его витков ω 2.
В последнее время трансформаторы требуются во многих приложениях RF IC для согласования/преобразования импеданса, связи сигналов, разделения фаз (балун) и т. д.
Однако, внутрикристальные трансформаторы, полученные из традиционных технологий кремниевых ИС, не отвечают требуемым характеристикам разработчиков схем. Чтобы решить эту проблему,
использовались нестандартные подложки, такие как высокоомные кремниевые или изолирующие подложки , или иногда подложки с изолирующими слоями, чтобы уменьшить потери в подложке. Кроме того,
использовались специальные процессы с использованием толстой металлизации Al или Cu, чтобы уменьшить омические потери.
Рис. Изготовленный 1:1 MEMS-трансформатор
MEMS достигли значительного улучшения производительности трансформатора, используя процесс микрообработки металлической поверхности. Этот процесс обеспечивает воздушный зазор в
микрообработанных трансформаторах для значительного снижения потерь связи с подложкой и использует толстые металлические слои (>10 мкм) для снижения омических потерь.
Мы также достигли высокого коэффициента магнитной связи (<0,81) в изготовленных спиральных трансформаторах, как показано на рис. Такие микротрансформаторы предназначены для работы в диапазоне частот от 0,05 до 10 ГГц, представляющие минимальные вносимые потери 1,9 дБ на частоте 1 ГГц.
Трансформаторы применяются в самых разных областях электротехники и электроэнергетики, поскольку они позволяют изменять уровни напряжения и тока, что важно для эффективного и безопасного использования электрической энергии. Вот основные сферы применения трансформаторов:
Энергетика и передача электроэнергии:
Электроника и телекоммуникации:
Электроприводы и промышленное оборудование:
Бытовые устройства:
Электротранспорт:
Автотрансформатор для питания телевизоров, СССР, 1960-е — 1970-е гг. Напряжение плавно регулировалось перемещением «ползунка» на верхней панели, контроль по показаниям вольтметра.
Автотрансформатор с регулированием напряжения. Защитный кожух снят. Сзади видна снятая верхняя панель со шкалой, деления показывают, какое напряжение будет подаваться потребителю.
Автотрансформаторы применяются в телефонных аппаратах, радиотехнических устройствах, для питания выпрямителей и т. д. Достаточно широкое применение автотрансформаторы получили в СССР: для ручной стабилизации питающего напряжения ламповый телевизор подключался к сети через ЛАТР и перед включением самого телевизора производилась ручная регулировка напряжения до номинального значения. Причиной этому было то, что в электросетях зачастую регулярно наблюдалось повышенное или пониженное напряжение, что могло повредить дорогостоящий телевизионный приемник и даже привести к возгоранию.
В дальнейшем для этой задачи более эффективно применялись автоматические феррорезонансные стабилизаторы. В последующих моделях телевизоров (УПИМЦТ и тп), вместо пожароопасного силового трансформатора стал применяться импульсный блок питания, что сделало использование внешних стабилизаторов напряжения излишним.
Электрификация железных дорог
На постсоветском пространстве часть железных дорог электрифицирована на переменном токе 25 киловольт, частотой 50 Герц. С тяговой подстанции в контактный провод подается высокое напряжение , обратным проводом служит рельс. Однако, на малонаселенных территориях нет возможности часто располагать тяговые подстанции (к тому же трудно найти квалифицированный персонал для их обслуживания, а также создать для людей должные жилищно-бытовые условия).
Для малонаселенных территорий разработана система электрификации 2×25 кВ (два по двадцать пять киловольт).
На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод, в который подается напряжение 50 тыс. вольт от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, вывод обмотки w1 подключен к питающему проводу, а вывод обмотки w2 — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подается половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ .
Данная система позволяет реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери. Электровозы и электропоезда переменного тока в переделке не нуждаются.
Трансформаторы – ключевой компонент в электрических сетях, обеспечивающий безопасность, экономичность и эффективность в различных отраслях. Трансформаторы играют важную роль в энергосистемах, позволяя управлять уровнями напряжения, обеспечивать безопасность электрических сетей и оптимизировать энергопотребление.
Комментарии
Оставить комментарий
Источники питания радиоэлектронной аппаратуры
Термины: Источники питания радиоэлектронной аппаратуры