Меню

Трансформатор

Что такое трансформатор?

Слово «трансформатор» образуется от английского слова «transform»  — преобразовывать, изменяться. Надеюсь все помнят фильм «Трансформеры». Там автомобили легко преобразовывались в трансформеров и обратно. Но… трансформатор у нас не преобразовывается по внешнему виду. Он обладает еще более удивительным свойством — преобразовывает переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения! Это свойство трансформатора очень широко используется в радиоэлектронике и электротехнике.

Виды трансформаторов

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

однофазный трансформатор

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

однофазный трансформатор обозначение на схеме

Первичная обмотка слева, а вторичная — справа.

Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов. Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

вторичные обмотки трансформатора

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

трехфазный трансформатор

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

соединение обмоток трехфазный трансформатор

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки — маленькими буквами.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

  • звезда-звезда
  • звезда-треугольник
  • треугольник-звезда

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Принцип работы трансформатора

Рассмотрим вот такую картинку:

принцип работы трансформатора

1 — первичная обмотка трансформатора

2 — магнитопровод

3 — вторичная обмотка трансформатора

Ф — направление магнитного потока

U1 — напряжение на первичной обмотке

U2  — напряжение на вторичной обмотке

На картинке показан самый обычный однофазный трансформатор.

Магнитопровод состоит из пластинок специальной стали. По нему течет магнитный поток Ф (показано стрелками). Этот магнитный поток создается переменным напряжением первичной обмотки трансформатора. Снимается напряжение со вторичной обмотки трансформатора.

Но как такое возможно? У нас ведь нет никакой связи между первичной и вторичной обмотками? Как может ток течь через разомкнутую цепь? Все дело именно в магнитном потоке, который создает первичная обмотка трансформатора. Вторичная обмотка «ловит» этот магнитный поток и преобразовывает его в переменное напряжение с такой же частотой.

В настоящее время трансформаторы создают в другом конструктивном исполнении. Такое исполнение имеет свои плюсы, такие как удобство намотки первичной и вторичной обмоток, а также меньшие габариты.

Трансформатор

Формула трансформатора

Так от чего же зависит напряжение, которое выдает нам трансформатор на вторичной обмотке? А зависит оно от витков, которые намотаны на первичной и вторичной обмотке !

Трансформатор

где

U2  — напряжение на вторичной обмотке

U1 — напряжение на первичной обмотке

N1 — количество витков первичной обмотки

N2 — количество витков  вторичной обмотки

I1 — сила тока первичной обмотки

I2 —  сила тока вторичной обмотки

В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

Трансформатор

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Виды трансформаторов по выходному напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку заходит 220 В, а на вторичной у нас получается 12 В. То есть мы большее напряжение преобразовали в меньшее напряжение.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, который  повышает напряжение. Тут тоже все до боли просто. Допустим,  на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение в несколько раз.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

Разделительный или развязывающий трансформатор (трансформатор 220-220)

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР.

Как проверить трансформатор

Короткое замыкание обмоток

Хотя обмотки  прилегают очень плотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка. Если где-то возникло короткое замыкание, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.

Обрыв обмотки трансформатора

При  обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки.

На фото ниже я проверяю целостность первичной обмотки, которая состоит из 2650 витков. Сопротивление есть? Значит все ОК. Обмотка не в обрыве. Если бы  она была в обрыве, мультиметр показал бы на дисплее «1».

проверить трансформатор

Таким же способом проверяем и вторичную обмотку, которая состоит из 18 витков

проверить вторичную обмотку трансформатора

Работа трансформатора

Работа понижающего трансформатора

Итак, у нас в гостях трансформатор от выжигательного прибора по дереву:

количество обмоток трансформатора

Его первичная обмотка  — это цифры 1, 2.

Вторичная обмотка — цифры 3, 4.

N1  — 2650 витков,

N2 — 18 витков.

Трансформатор

Его внутренности выглядят вот так:

что внутри трансформатора

Подключаем первичную обмотку трансформатора к 220 Вольтам

трансформатор а работе

Ставим крутилку на мультиметре на измерения переменного тока и замеряем напряжение на первичной обмотке (напряжение сети).

измерить напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Замеряем напряжение на вторичной обмотке.

измерить напряжение на вторичной обмотке трансформатор

Настало время проверить наши формулы

Трансформатор

1.54/224=0.006875 (коэффициент отношения напряжения)

18/2650=0.006792 (коэффициент отношения обмоток)

Сравниваем числа… погрешность вообще копейки! Формула работает! Погрешность связана с потерями на нагрев обмоток трансформатора и магнитопровода, а также погрешность измерения мультиметра. Насчет силы тока работает простое правило: понижая напряжение, повышаем силу тока и наоборот, повышая напряжение, понижаем силу тока.

Трансформатор на холостом ходу

Работа трансформатора на холостом ходу подразумевает работу трансформатора без нагрузки на вторичной обмотке.

Нашим подопытным кроликом будет уже другой трансформатор

китайский трансформатор со множеством вторичных обмоток

Вторичных обмоток здесь целых две пары, но мы будем использовать только одну.

Два красных провода — это первичная обмотка трансформатора. На эти провода мы будем подавать напряжение из сети 220 В.

пайка проводов

Снимать напряжение будем со вторичной обмотки с двух синих проводов.

китайский трансформатор

Для того, чтобы произвести замеры, нам потребуется выставить на мультиметре крутилку на измерение переменного напряжения.Если вы не знаете, как измерять переменное напряжение и силу тока, рекомендую прочитать вот эту статью.

мультиметр на измерении переменного тока

Замеряем напряжение на первичной обмотке трансформатора, куда мы подаем 220 В.

сетевое напряжение на первичной обмотке трансформатора

Мультиметр показывает 230 В. Ну что же, бывает).

Теперь замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора

трансформатор на холостом ходу

Получили 22 Вольта.

Интересно, а какую силу тока потребляет из розетки наш трансформатор  при холостом режиме?

трансформатор потребляет ток

Мультиметр показал 60 миллиампер. Оно и понятно, ведь наш трансформатор не идеальный.

Как вы видите,  на вторичной обмотке трансформатора нет никакой нагрузки, но он все равно «кушает» силу тока, а следовательно и электрическую энергию из сети. Если сосчитать мощность, то получим P=IU=230×0,06=13,8 Ватт. А если у нас он простоит включенным хотя бы часик, то у нас он съест электроэнергию 13,8 Ватт* час или 0,0138кВатт*час. А сколько сейчас стоит один киловатт электроэнергии? В России 4-5 рублей. Копейка рубль бережет. Поэтому, не рекомендуется оставлять в сети электроприборы, имеющие трансформаторный блок питания.

Трансформатор под нагрузкой

Опыт №1

Работа трансформатора под нагрузкой подразумевает режим, при котором к его вторичной обмотке цепляется нагрузка. Для этого последовательно соединяем две лампы накаливания по 13,5 Вольт. В этом случае напряжение будет падать поровну на каждой из ламп накаливания, так как мы соединили их последовательно. Почему так получается, читайте статью про делитель напряжения.

последовательное соединение ламп накаливания

Интересно, а поменяется ли сила тока на первичной обмотке, если мы нагрузим вторичную обмотку нашими лампочками? Лампочки загорелись, а сила тока на первичной обмотке тоже поменялась ;-)

работа трансформатра под нагрузкой

Когда мы замеряли без нагрузки, у нас было 60 миллиампер в цепи первичной обмотки. Цепь вторичной обмотки у нас была разомкнута, так как мы не присоединяли никакую нагрузку. Как только мы подсоединили лампы накаливания ко вторичной обмотке трансформатора, они стали сразу потреблять силу тока. Но еще кстати, сила тока поднялась в цепи первичной обмотки, до уровня 65,3 миллиампер. Отсюда напрашивается вывод:

Если растет сила тока в цепи вторичной обмотки трансформатора, то растет и сила тока в цепи первичной обмотки.

Опыт №2

Давайте проведем еще один опыт. Для этого замеряем напряжение без нагрузки на вторичной обмотке трансформатора, так называемый — холостой режим работы

понижающий трансформатор

а теперь подсоединяем наши лампочки и снова замеряем напряжение

напряжение на трансформаторе под нагрузкой

Ого, напряжение просело на 0,2 В.

Давайте замеряем силу тока во вторичной обмотке с лампочками

трансформатор под нагрузкой

Получили 105 миллиампер.

Все те же самые аналогичные операции проводим и для мощного резистора номиналом в 10 Ом и мощностью рассеивания в 10 Ватт. Замеряем напряжение на вторичной обмотке, при включении резистора

трансформатор под нагрузкой

Получили 18,9 В. Видели, как сильно просело напряжение? Если на холостом ходу было 22,2 В, то сейчас стало 18,9 В !

Интересно, какая сила тока течет во вторичной цепи, в которой включен резистор

трансформатор под нагрузкой

Ого-го, почти 2 Ампера.

Вывод: при включении нагрузки происходит просадка напряжения. Напряжение падает тем больше, чем больше силы тока кушает нагрузка. Здесь также играет роль еще один немаловажный фактор — мощность трансформатора. Чем больше мощность трансформатора, тем меньше будет просадка напряжения. Мощность трансформатора зависит от его габаритов. Чем больше габариты, тем больше его  размер сердечника. Следовательно, такой трансформатор может выдавать приличную силу тока во вторичной обмотке с минимальной просадкой напряжения.



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.