Устройство трансформатора – разновидности конструкции, применение

При работе любой электрической схемы требуется изменение значений напряжения и тока. Если разница между величинами небольшая, задача решается с помощью резисторов.

Однако при сильном разбросе параметров, выделяется значительное количество тепла. К тому же такой способ приводит к потерям мощности, КПД прибора снижается.

Эффективным преобразователем тока или напряжения является трансформатор. Изменение величины напряжения происходит практически без потерь, энергия передается линейно, с сохранением входной и выходной мощности.

Важно! Преобразование может происходить в любую сторону. Существуют понижающие и повышающие трансформаторы.

Для чего нужен трансформатор?

  1. Основное назначение – снижение напряжения при организации питания электроприборов. Централизованное энергоснабжение дает на входе величину 220 или 380 вольт.

    Строить электрические схемы при таких величинах нерационально и опасно. Требуется организация защиты, размер элементов и проводников будет слишком большим. Поэтому на входе в большинстве приборов монтируется блок питания с понижающим трансформатором.

  2. Еще одно применение – транспортировка электроэнергии. По закону Ома, чем выше напряжение в проводнике, тем меньше величина тока, протекающего по цепи (при сохранении мощности). Меньше нагрев проводов, соответственно меньше потерь.

    По линиям электропередач передается напряжение в десятки киловольт. С помощью понижающих трансформаторов на подстанциях, эта величина снижается до приемлемых 600 В.

маслянный трансформатор на электростанции

Затем происходит вторая ступень преобразования – три фазы 380 В и однофазное питание 220 В.

С помощью трансформатора (снова вспоминаем закон Ома) можно работать с большими токами, при невысокой входной мощности. Пример – сварочный аппарат.

При входной мощности 5 кВт (это достаточно много) и напряжении 220 вольт, сила тока может достигать 20 ампер. Для сварочных работ этого недостаточно.

Если преобразовать напряжение до величины 18-24 вольта, сила тока (при сохранении мощности) достигнет 200 ампер. Такие токи могут образовывать сварочную дугу и плавить металл.

Устройство и назначение силового трансформатора — видео.

Зачем еще нужен трансформатор?

Для поддержания заданной величины напряжения. Всем знакомо такое явление, как «просады» электроэнергии. При увеличении нагрузки, генерирующая система снижает величину выходного напряжения. Это можно скомпенсировать автотрансформатором.

Наглядное видео — как работает трансформатор.

Устройство и принцип действия трансформатора

Прибор работает исключительно по законам физики, на основе простых явлений. Никаких сложных схем управления и контроллеров, чистая механика. Именно простота физических процессов делает это устройство таким надежным.

Из чего состоит трансформатор?

  • Магнитопровод. Фактически он является рамой, или корпусом прибора. Представляет собой замкнутую структуру из ферромагнитного материала, в которой можно индуцировать магнитное поле.
  • состав трансформатора

  • Обмотка. Для работы прибора их требуется минимум две. На одну подается исходное напряжение, со второй (или с нескольких) снимается преобразованная величина (величины).

Важно! Исходное напряжение может быть только переменным. Постоянные токи не могут возбудить в магнитопроводе магнитное поле.

Разберем компоненты подробнее:

Магнитопровод

Для его изготовления требуется материал с хорошей магнитной проводимостью. Это может быть сталь с высоким содержанием кремния, либо феррит.
Конструктивно этот элемент может быть:

  • Пластинчатым. Сечение набирается из тонких пластин одинакового размера.

пластины трансформатора
В зависимости от инженерных расчетов, пластины могут иметь электрический контакт между собой, или быть изолированными с помощью электрокартона или лака. Для прочности листы стягиваются с помощью шпилек, или просто склеиваются между собой. Конструкция позволяет перебрать блок, меняя конфигурацию.

  • Ленточным. Для создания объема, стержни магнитопровода наматываются из непрерывных полос железа.

полосы трансформатора
Конструкция получается очень прочной, магнитный поток более стабильный, в сравнении с пластинами.

  • Монолитным. Изготавливается из т.н. феррита – материала, состоящего из окислов железа в сочетании с другими материалами.

феррит
Метод изготовления – порошковое прессование. Высочайшая магнитопроводимость, хорошее рассеивание тепла.

По форме исполнения магнитопроводы бывают:

  • Броневые. Выполнены в форме восьмерки закругленной формы, либо с прямыми углами

броневой магнитопровод

  • Обмотки располагаются на центральном стержне. Отличное взаимодействие между витками, высокая мощность и громоздкие размеры. Магнитопровод такой формы является разборным, что упрощает установку обмоток.
  • Стержневые. Выполнены в виде прямоугольника, квадрата или буквы «О» с прямыми стенками.

стержневой магнитопровод трансформатора
Обмотки могут наматываться как одна на другую, так и порознь – на разные стороны магнитопровода. Также бывают разборными, более компактные и менее мощные.

  • Тороидальные. Неразборный сердечник выполнен в виде тора. Для обмоток используется вся площадь, за счет чего размеры поскромнее, при той же мощности. Потерь в магнитопроводе практически нет. Обеспечивают хороший теплоотвод с обмоток.

обмотка трансформатора
Единственный недостаток – трудно мотать обмотки. Для этого необходимо использовать специальные станки.
станок для намотки обмотки трансформатора

Обмотка

На первый взгляд все просто. Берем обычные провода, формируем катушку, надеваем на сердечник. Такие схемы применяются, на мощных трансформаторах. Проводник покрыт изоляцией, как правило бумажной, или с применением иного материала, который не размягчается при нагреве.
обсотка трансформатора
Например, в сварочных аппаратах, вторичная обмотка сильно нагревается, и пластиковая изоляция может расплавиться. Однако такие обмотки очень громоздкие, да и не всегда требуется такая высокая мощность. Чаще всего на первом месте стоит компактность.

Самый распространенный проводник – тонкая медная проволока, покрытая лаком. Отличная изоляция (при условии отсутствия повреждений) и размер обмотки зависит лишь от сечения проводника, толщина лака минимальна.
проволока покрытая лаком
Система работает следующим образом:

На первичную обмотку подается переменное напряжение. Переменный ток возбуждает в сердечнике магнитное поле, которое в свою очередь индуцирует переменный ток на вторичной обмотке.

Преобразование происходит по закону Максвелла: разница величин напряжения прямо пропорциональна количеству витков. То есть, если на первичной обмотке 1000 витков и напряжение 220 вольт, то на вторичной обмотке в 100 витков индуцируется напряжение 22 вольта.

Это условная величина, работающая лишь в теории. На практике необходимо делать поправку на потери (тепло, сопротивление, несовершенство магнитопровода).

Обозначение трансформатора на схеме как раз демонстрирует его конструкцию.
Обозначение трансформатора на схеме
Существуют варианты изготовления с несколькими вторичными обмотками, для экономии места.
схема вторичной обмотки

Что из себя представляет трансформатор и как его проверить. Подробности в этом видео материале.

Итог:
Назначение трансформатора определяет его устройство. Универсальных конструкций нет, поэтому при выборе готового (или самостоятельном изготовлении) трансформатора, в первую очередь рассчитайте параметры и согласуйте их с условиями применения. Невозможно собрать мощный сварочник из компактного тора, равно как и мощный броневой преобразователь не уместится в блок питания для ноутбука.