Трансформаторы

Трансформа́тор (от латин. transformo – преобразовывать) – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения – электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнитомягкого материала.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1) Изменяющийся во времени электрический ток создает изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм). 

2) Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создает ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция).

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подается напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создает переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции переменный магнитный поток в магнитопроводе создает во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока при синусоидальном токе , сдвинутом на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать. Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т. д. Исключение – силовой трансформатор. Он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки. Отклонение от синусоиды порождает искажения, которые могут нарастать в последующих трансформаторах. Идеальный трансформатор – трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на гистерезис и вихревые токи и потоки рассеяния обмоток. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и затем в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии:

\(P_1=I_1\cdot U_1=P_2=I_2\cdot U_2\),

где \(P_1\) – мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, которая возникает в первичной цепи,

\(P_2\) – мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.

Соединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

\(\frac {U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}=\frac{I_1}{I_2}\).

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки \(U_2\) уменьшается ток вторичной цепи \(I_2.\)

Виды трансформаторов: силовой трансформатор, автотрансформатор, трансформатор тока, трансформатор напряжения, импульсный трансформатор, разделительный трансформатор, согласующий трансформатор.