Трансформатор — это электрическая машина, служащая для переноса энергии переменного тока с помощью индукции от одной электрической цепи к другой с изменением параметров. Поскольку он не имеет подвижных частей, его можно отнести к устройствам.
Основные части трансформатора — сердечник и обмотки — действительно неподвижны и не преобразуют электрическую энергию в механическую, поэтому оба термина (машина и устройство) будут верны.
Принцип работы
Устройство трансформатора основано на законе Фарадея, согласно которому переменное магнитное поле может вызвать переменное напряжение на концах витка из проводника. В простейшем трансформаторе это явление провоцируется путём обёртывания нескольких витков провода вокруг сердечника из магнитного материала. Как правило, существует два типа обмоток:
- первичная (присоединяется к генератору, сети или другому источнику);
- вторичная (присоединяется к нагрузке).
По сути, любые две (или более) катушки индуктивности, расположенные достаточно близко друг к другу, будут работать как трансформатор. И чем больше они связаны магнитным способом, тем эффективнее их работа.
При изменениях магнитного поля, вызванных прохождением переменного электрического тока через первичную обмотку, напряжение индуцируется во вторичных обмотках в полном соответствии с приложенным к ним магнитным полем.
Этот принцип также используется в генераторах переменного тока, электродвигателях и динамиках акустических систем.
Основная задача трансформаторов — увеличивать или уменьшать напряжение с соответствующим увеличением или уменьшением тока. Каждый из них, независимо от его назначения и роли в электрических схемах, обладает такими общими признаками:
- в основе используют закон электромагнитной индукции;
- частота входного и выходного тока одинакова;
- первичные и вторичные обмотки лишены электрического соединения — передача мощности осуществляется только через магнитный поток.
Основные конструкционные части
Размеры трансформаторов бывают от миниатюрных для передачи менее одной тысячной вольт-ампера до огромных агрегатов весом более 100 тонн, оперирующих мощностями в несколько миллионов вольт-ампер. И используются для различных целей.
Соответственно, оснащены неодинаковыми вариантами схем обмоток, типами сердечников и материалами изготовления конструктивных частей. Кроме того, строение трансформатора может предусматривать интеграцию в них вспомогательных систем, таких как принудительное жидкостное или воздушное охлаждение.
Магнитный сердечник
Способность вещества нести магнитное поле называется проницаемостью. Эта величина для сердечников колеблется в широком диапазоне, в зависимости от применяемых материалов и способа их обработки. Проницаемость воздуха равна единице. Большинство традиционных сердечников имеет гораздо более высокое значение. Характеристики некоторых материалов, которые используются в качестве магнитного контура:
- Воздух. Обеспечивает худшее удержание потока, но идеально подходит для высоких частот.
- Трансформаторные стали. Проницаемость 500 и выше.
- Порошковые композиты. Производят спекая магнитные частицы со связующим агентом с последующим обжигом. Полученный керамический материал обладает выдающимися качествами на частотах более 1 МГц. Проницаемость от 40 и выше.
- Ферриты. Магнитная керамика, как правило, с использованием экзотических магнитных материалов. Чрезвычайно высокая проницаемость (от 500 до 9000 и выше) и отличные характеристики на частотах от 50 кГц до 1 МГц.
Теоретически, порошковые композиты и ферриты классифицируются как мягкие. Эта характеристика не имеет ничего общего с их физическими свойствами, а указывает на их пригодность к остаточной намагниченности. Жёсткие магнитные материалы используются для постоянных магнитов и способны сохранять бо́льшую часть первоначально наведённого в них магнитного поля.
Магнитные цепи трансформаторов подвергаются воздействию переменного поля, которое в массивных проводниках способно индуцировать так называемые вихревые токи — обычные индукционные токи, замкнувшие своё движение внутри толщи проводника.
Это явление приводит к потерям при передаче энергии и перегреву трансформатора. Эффективный способ борьбы с вихревыми токами — применение шихтованных (набранных из изолированных пластин) сердечников. В этом случае для хорошего результата важно предусмотреть в конструкции трансформатора верные направления магнитных потоков.
Обмотки и изоляция
В качестве основного проводника тока в обмотках трансформатора используют два типа проводов — алюминиевые и медные. Первые значительно легче и, как правило, дешевле. Алюминиевые провода для того, чтобы пропускать такое же количества тока, как и медные, должны быть большей площади поперечного сечения. Поэтому используются в стационарных силовых трансформаторах. Для маломощных низковольтных электрических сетей и схем оправдано применение медных проводов, как обладающих большей прочностью и компактностью в обмотках.
С целью предотвращения замыкания соприкасающихся витков их предварительно изолируют. Как правило, для трансформаторов с воздушным охлаждением применяют готовый провод с нанесённой на него эмалью или в шёлковой оплётке.
В больших силовых и распределительных трансформаторах проводники изолируют друг от друга с помощью пропитанной маслом бумаги или ткани. В такой конструкции сердечник вместе с обмотками работает погружённым в герметичный резервуар с трансформаторным маслом. Последнее выполняет функции изолятора и хладагента.
Для борьбы с вихревыми токами в обмотках нередко используют многожильные проводники. В случаях с трансформаторами очень большой мощности по той же причине применяют ленты и полосы из меди или алюминия.
Первичные и вторичные обмотки могут иметь вынесенные соединения в промежуточных точках навивки. Их назначение — обеспечить выбор в соотношениях подаваемого и снимаемого напряжения.
Эти устройства чрезвычайно разнообразны и могут использоваться самыми экзотическими способами: в компьютерных сетевых картах и модемах, усилителях мощности и микроволновых печах, автомобилях и судовых системах зажигания, подвижных катушках фонокорректоров и катушках Тесла, распределительных узлах электроэнергии — это лишь небольшой перечень множества видов трансформаторов.
