Трансформатор

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Малък преносим трансформатор

Трансформаторът е устройство, което пренася електрическа енергия от една електрическа верига в друга чрез взаимноиндуктиращи проводници — трансформаторни намотки. Променливият ток в първата, първична намотка, създава променлив магнитен поток в ядрото на трансформатора и съответно променливо магнитно поле във втората намотка. Това променливо поле индуцира променлива електродвижеща сила (напрежение) във вторичната намотка. Описаният ефект се нарича взаимна индукция.

Ако към вторичната намотка се свърже консуматор, през нея протича ток и електрическа енергия се пренася от първичната намотка през трансформатора към консуматора. При идеализиран трансформатор, индуцираното напрежение във вторичната намотка (Vs) е пропорционално на напрежението в първичната намотка (Vp) и на отношението на броя на навивките във вторичната (Ns) и първичната намотка (Np):


\frac{V_\text{s}}{V_{\text{p}}} = \frac{N_\text{s}}{N_\text{p}}

Чрез подходящ подбор на съотношението на навивките, трансформаторът дава възможност за промяна на напрежението на променливия ток, като го повишава при Ns, по-голямо от Np, или го понижава при Ns по-малко от Np.

При повечето трансформатори намотките са разположени около феромагнитен магнитопровод, като най-честото изключение са трансформаторите с въздушен магнитопровод.

Размерите на трансформаторите варират в широки граници — от трансформатори с размери под 1 cm в сценичните микрофони до устройства, тежащи стотици тонове, свързващи части на електропреносната мрежа. Всички те действат въз основа на един и същ принцип, макар че устройството им може да бъде различно. Макар съвременните технологии да премахват нуждата от трансформатори в много електронни схеми, трансформаторите все още се срещат в почти всички електронни устройства, предназначени за работа при мрежово напрежение. Те продължават да бъдат основен елемент на системите за пренос на електроенергия, позволяващ изграждането на ефективни високоволтови линии.

История[редактиране | edit source]

Откриване[редактиране | edit source]

Експериментът на Фарадей с индукция между намотки от проводник[1]
Пръстеновидният трансформатор на Фарадей

Явлението електромагнитна индукция е открито през 1831 година по отделно от англичанина Майкъл Фарадей и американеца Джоузеф Хенри, като Фарадей пръв публикува резултатите от своите експерименти.[2] Връзката между електродвижеща сила и магнитен поток е формуларина в уравнение, известно днес като закон на Фарадей за електромагнитната индукция:

 |\mathcal{E}| = \left|{{d\Phi_B} \over dt}\right|.

където |\mathcal{E}| е размерът на електродвижещата сила, а ΦB е магнитният поток в устройството.[3]

Фарадей провежда първите експерименти с индукция между намотки от проводник, включително с намотаването на две отделни намотки около железен пръстен — първият тороиден трансформатор със затворен магнитопровод.[4]

Индукционни бобини[редактиране | edit source]

Първият тип трансформатори, намерил по-широко практическо приложение, е индукционната бобина, открита през 1836 година от ирландеца Никълас Калан. Той е един от първите изследователи, които забелязват, че съотношението на навивките на двете намотки може да се използва за увеличаване или намаляване на електродвижещата сила. Първоначалният стимул за използването на индукционните бобини е желанието на експериментаторите да увеличат напрежението, получавано от батерии. Тъй като батериите създават постоянен, а не променлив ток, първите индукционни бобини използват вибриращи съединители, които периодично прекъсват тока в първичната намотка, за да създадат промените в магнитния поток, необходими за индукцията. През първия половин век след появата им усилията за създаване на по-усъвършенствани индукционни бобини, главно чрез проби и грешки, постепенно разкриват основните принципи на действие на трансформаторите.

През 70-те години на 19 век се появяват алтернаторите, ефективни генератори, произвеждащи променлив ток, и става ясно, че индукционните бобини могат да се захранват направо с променлив ток без използване на прекъсвач. През 1876 година руснакът Павел Яблочков създава система за осветление, при която използва индукционни бобини, чиито първични намотки са свързани с източник на променлив ток, а вторичните — с няколко електрически свещи.[5][6] През 1878 година унгарското предприятие Ганц започва производството на системи за електрическо осветление, които работят изцяло с променлив ток, използвайки трансформатори.[7]

През 1882 година французинът Люсиан Голар и англичанинът Джон Диксън Гибс за пръв път демонстрират устройство с отворен магнитопровод, след което продават правата за използването му на американската компания Уестингхаус. Този вид трансформатори намира приложение в осветителни системи в Италия, макар че ефективността му остава много ниска.

Индукционните бобини с отворен магнитопровод имат ниска ефективност и първоначално проблемът за понижаване на напрежението на променлив ток се решава чрез последователно свързване на поредица устройства. Недостатък на този метод е, че включването на една от захранваните лампи променя напрежението за всички останали. За да се преодолее този проблем се конструират различни трансформатори с възможност за настройване. Ефективните трансформатори се появяват едва през 80-те години и през следващото десетилетие изиграват решаваща роля за успешното разпространение на системите, базирани на променлив ток, за сметка на правотоковите.

Затворени магнитопроводи и успоредно свързване[редактиране | edit source]

Други ранни трансформатори[редактиране | edit source]

Основни принципи[редактиране | edit source]

Схема на действие на трансформатор
Схема на трансформатор (понижаващ), с входните и изходни токове и напрежение

Напрежението, което се подава на входа на трансформатора, се нарича първично (входящо), а това, което се получава на изхода, се нарича вторично (изходящо), а съответните намотки — първична и вторична.

Първичната намотка, при подадено към нея напрежение, създава променлив магнитен поток в околната магнитна среда. Промените в този магнитен поток индуцират напрежение във вторичната намотка. Ако навивките на вторичната намотка са повече от навивките на първичната, то трансформаторът е повишаващ и обратно — ако са по-малко е понижаващ.

Съотношението "брой навивки на волт" е еднакво за двете намотки. Важно е също да се има предвид и това, че първичната и вторичната мощност са равни, което означава, че в каквото съотношение са първичното и вторичното напрежение, точно в обратното съотношение са първичният и вторичният ток. Това е важно при избора на дебелината на проводника за първичната и вторичната намотки.

В идеалният случай, когато няма загуби при трансформирането, енергията постъпваща в първичната верига се трансформира в магнитно поле и след това в енергия на вторичната верига. Това показва, че при трансформирането не се печели енергия, а този процес позволява да се ползват такива електрически параметри на електрическата верига които са необходими — като например за пренос на електрическа енергия, за ползване в транспорта, за ползване в домакинствата и т. н.


P_{1} = I_{1} \cdot U_{1} = P_{2} = I_{2} \cdot U_{2}

където:

P1 — мигновеното значение на постъпващата в трансформатора мощност в първичната верига,
P2 — мигновеното значение на преобразуваната от трансформатора мощност, постъпваща във вторичната верига.

Чрез уравнението на идеалния трансформатор се изразява връзката между трансформираните напрежения и токове и конструкцията му за осъществяване на това:


\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}

където

N е броят на намотките във всяка една от страните на трансформатора.

Практически проблеми[редактиране | edit source]

Видове[редактиране | edit source]

  • Според предназначението
  • Според вида на пренасяната величина
    • Мощностни
    • Токови
  • Според устройството
    • Едноядрени
    • Двуядрени
    • Триядрени
    • Еднонамотъчни
    • Двунамотъчни
    • Тринамотъчни
  • Според галваничното разделяне
  • Според работната среда и вида на охлаждането
    • Сух
    • Течна охлаждаща и изолационна среда (трансформаторно масло)
      • ONAN (oil natural, air natural) без принудително задвижване на маслото и без обдухване на топлообменниците (радиаторите)
      • ONAF (oil natural, air forced) без принудително задвижване на маслото и със обдухване на топлообменниците (радиаторите)
      • OFAF (oil forced, air forced) с принудително задвижване на маслото и с обдухване на топлообменниците (радиаторите)
      • Газова работна среда
  • Според преводното отношение
    • Повишаващи
    • Понижаващи
    • Съществува и трети вид, където преводното число (коефициента на трансформация) е 1. Те служат само за галванично отделяне на веригите. Електроенергията се пренася изцяло по електромагнитен път.
  • Според вида на магнитопровода
    • Ядрени
    • Мантийни

Приложение[редактиране | edit source]

Бележки[редактиране | edit source]

  1. ((en)) Poyser, Arthur William. Magnetism and electricity: A manual for students in advanced classes. London and New York, Longmans, Green, & Co., 1892. с. 285.
  2. ((en))  Joseph Henry. // Distinguished Members Gallery. National Academy of Sciences. Посетен на 2006-11-30.
  3. ((en)) Chow, Tai L. Introduction to electromagnetic theory: a modern perspective. Sudbury, Massachusetts, Jones and Bartlett Publishers, 2006. ISBN 0763738271. с. 171.
  4. ((en)) Faraday, Michael. Experimental Researches on Electricity, 7th Series. // Philosophical Transactions of the Royal Society of London 124. 1834. DOI:10.1098/rstl.1834.0008. с. 77–122.
  5. ((en))  Stanley Transformer. Los Alamos National Laboratory; University of Florida. Посетен на 2009-01-09.
  6. ((en)) De Fonveille, W. Gas and Electricity in Paris. // Nature 21 (534). January 22, 1880. с. 283.
  7. ((en)) Hughes, Thomas P. Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880-1930. Baltimore, The Johns Hopkins University Press, 1993. ISBN 0-8018-2873-2. с. 96. Посетен на 2009-09-09.