Магнитопровод (сердечник)
Набран из тонких пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга. Проводит магнитный поток и снижает потери на вихревые токи.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА · ЛИСТ 01
Трансформаторы
Устройство, которое повышает или понижает переменное напряжение с помощью электромагнитной индукции — почти без потерь энергии. Разбираем принцип работы, устройство, виды и где они применяются.
- КПД крупных
- > 99 %
- Работает на
- ~ перем. токе
- Открыт принцип
- 1831 г.
Что такое трансформатор
Трансформатор — это статическое (без движущихся частей) электромагнитное устройство, которое преобразует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины при той же частоте.
Проще говоря, он умеет «поднимать» и «опускать» напряжение. Например, на электростанции напряжение повышают до сотен тысяч вольт, чтобы передать энергию на сотни километров с минимальными потерями, а у вас дома его понижают до привычных 220 В.
Ключевой момент: трансформатор передаёт мощность, а не создаёт её. Сколько энергии вошло — почти столько же и вышло (КПД крупных машин выше 99 %). И работает он только на переменном токе — почему, разберём дальше.
ФОТО 02
Как это работает
Принцип — электромагнитная индукция (закон Фарадея)
синие стрелки — магнитный поток, жёлтые точки — ток
-
1
Подаём переменный ток
На первичную обмотку (N₁ витков) подаётся переменное напряжение U₁. По ней течёт переменный ток.
-
2
Рождается магнитный поток
Ток создаёт вокруг обмотки переменный магнитный поток Φ. Стальной сердечник «собирает» его и проводит по кольцу.
-
3
Поток наводит ЭДС
Переменный поток пронизывает вторичную обмотку (N₂ витков) и по закону Фарадея наводит в ней ЭДС — появляется напряжение U₂.
-
4
Соотношение витков решает всё
Чем больше витков во вторичной обмотке относительно первичной, тем выше U₂. U₁/U₂ = N₁/N₂.
-
?
Почему только переменный ток?
ЭДС наводит лишь меняющийся поток. Постоянный ток даёт постоянный поток — он не меняется, и во вторичной обмотке ничего не наводится.
Устройство
Из чего состоит силовой трансформатор
- 1 Вводы (изоляторы)
- 2 Расширитель
- 3 Бак
- 4 Масло
- 5 Магнитопровод
- 6 Обмотки (ВН/НН)
- 7 Радиаторы
- 8 Катки (тележка)
Обмотки
Первичная и вторичная — катушки из изолированного медного или алюминиевого провода. Именно их число витков задаёт коэффициент трансформации.
Изоляция
Разделяет витки, обмотки между собой и от корпуса. От её качества зависит надёжность и срок службы.
Бак с маслом
У масляных трансформаторов обмотки погружены в трансформаторное масло — оно изолирует и отводит тепло.
Система охлаждения
Радиаторы, а у мощных машин — вентиляторы и насосы. Отводят тепло, которое выделяется при работе.
Вводы (изоляторы)
Через них провода заходят внутрь бака, не касаясь корпуса. Чем выше напряжение — тем длиннее «фарфоровая юбка».
Расширитель
Бачок сверху компенсирует тепловое расширение масла, чтобы давление в баке оставалось стабильным.
Переключатель ответвлений
РПН/ПБВ — позволяет подстраивать число витков и точно регулировать выходное напряжение.
Виды трансформаторов
Классификация по основным признакам
// по направлению преобразования
Повышающий
N₂ > N₁. Поднимает напряжение — например, на выходе электростанции перед ЛЭП.
Понижающий
N₂ < N₁. Снижает напряжение — на подстанциях и в блоках питания до 220/12/5 В.
// по назначению
Силовые
Передают большую мощность в энергосистемах. Самые крупные — на сотни и тысячи МВА.
Распределительные
Финальное звено — понижают напряжение до бытового прямо рядом с потребителями.
Измерительные (ТТ/ТН)
Трансформаторы тока и напряжения. Дают приборам безопасные пропорциональные величины.
Разделительные
k = 1, но обмотки электрически развязаны. Нужны для безопасности (гальваническая развязка).
Согласующие
Подгоняют сопротивление источника и нагрузки в усилителях и аудиотехнике.
Автотрансформатор
Одна обмотка с ответвлением. Компактнее и дешевле, но без развязки цепей.
// по числу фаз
Однофазные
Одна фаза. Бытовая техника, небольшие устройства, измерительные цепи.
Трёхфазные
Основа промышленной энергетики: один аппарат на все три фазы сети.
// по охлаждению и конструкции
Масляные
Обмотки в масле — хорошая изоляция и теплоотвод. Для больших мощностей.
Сухие
Охлаждаются воздухом. Пожаробезопаснее — ставят внутри зданий.
Стержневые / броневые
Разная форма магнитопровода: обмотки снаружи стержней либо «спрятаны» внутри.
Тороидальные
Кольцевой сердечник. Компактны, мало помех — в качественной электронике.
ФОТО 03
На фото — небольшой тороидальный трансформатор: видны кольцевой сердечник и намотанный поверх него медный провод. Благодаря замкнутой форме кольца магнитный поток почти не «вытекает» наружу, поэтому такие трансформаторы дают мало помех, меньше гудят и компактнее обычных. Их любят ставить в аудиотехнику и точные приборы.
Где применяются
ФОТО 01
// зачем повышать напряжение в ЛЭП
Потери в проводах равны P = I²·R. Если поднять напряжение, то при той же мощности ток падает — а потери падают в квадрате. Поэтому энергию гонят по высоковольтным линиям, а у потребителя снова понижают. Без трансформаторов дальняя передача электричества была бы невозможна.
Передача энергии
Повышают напряжение до 110–750 кВ для линий электропередачи.
Распределение
Понижают до 380/220 В прямо во дворах и районах.
Блоки питания
В зарядках и адаптерах получают низкое безопасное напряжение.
Сварка
Дают огромный ток при малом напряжении для дуги.
Измерения
ТТ и ТН масштабируют ток и напряжение для приборов и защит.
Развязка
Гальваническая развязка для безопасности в медицине и лабораториях.
Формулы и расчёт
Главные соотношения и интерактивный калькулятор
k = N₁ / N₂ = U₁ / U₂
U₁ · I₁ ≈ U₂ · I₂
E = 4,44 · f · N · Φm
η = P₂ / P₁ · 100 %
Калькулятор коэффициента трансформации
Введите параметры — остальное посчитается автоматически.
—
- U₂ — вторичное напряжение
- —
- k — коэффициент
- —
- I₂ — ток вторичной
- —
Проверь себя
5 вопросов · мгновенная проверка
История и факты
- 1831
Майкл Фарадей открывает электромагнитную индукцию — физическую основу трансформатора.
- 1876
П. Н. Яблочков применяет индукционные катушки для питания своих «свечей» — прообраз трансформатора.
- 1885
Инженеры фирмы Ganz (Блати, Дери, Циперновский) создают трансформатор с замкнутым сердечником и вводят сам термин.
- 1886
Уильям Стэнли строит практичный трансформатор — стартует эпоха переменного тока.
>99%
КПД крупных силовых трансформаторов
>1000 МВА
мощность самых больших машин
0 В
наведётся на выходе, если подать постоянный ток
~50 Гц
частота сети, на которую рассчитано большинство