Трансформатор являются важнейшими элементами электрических и электронных систем, обеспечивая необходимую электрическую изоляцию и выполняя важнейшую функцию изменения напряжений и токов. Хотя процесс их проектирования иногда рассматривается как “искусство”, их конструкция и работа основаны на фундаментальных принципах физики.
Трансформатор - это устройство, передающее электрическую энергию из одной цепи переменного тока в одну или несколько других цепей, либо увеличивая (повышая), либо уменьшая (понижая) напряжение. Они используются для различных целей, например, для снижения напряжения в обычных цепях питания, чтобы задействовать низковольтные устройства, такие как дверные звонки и игрушечные электропоезда, или для повышения напряжения от электрогенераторов, чтобы обеспечить передачу электроэнергии на большие расстояния.
Трансформаторы изменяют напряжение за счет электромагнитной индукции. Это происходит за счет того, что линии магнитного потока нарастают и разрушаются при изменении тока, проходящего через первичную обмотку, индуцируя ток в другой обмотке, называемой вторичной. Вторичное напряжение определяется умножением первичного напряжения на отношение числа витков во вторичной обмотке к числу витков в первичной обмотке, называемое отношением витков.
Трансформаторы с воздушным сердечником предназначены для передачи радиочастотных токов, которые используются в радиопередачах; они состоят из двух или более катушек, намотанных вокруг твердого изоляционного материала или изоляционной формы катушки. Трансформаторы с железным сердечником выполняют аналогичные функции в диапазоне звуковых частот. Трансформаторы согласования импеданса используются для выравнивания импеданса источника и нагрузки для оптимальной передачи энергии. Изолирующие трансформаторы обычно используются в целях безопасности для отделения оборудования от источников питания.
Трансформеры Обеспечивают электрическую изоляцию между цепями, что крайне важно для обеспечения безопасности и функциональности в различных приложениях. Трансформаторы состоят из магнитопровода с намотанными на него первичной и вторичной обмотками. Когда переменное напряжение подается на первичную обмотку, она генерирует переменный ток, который соответствует переменному магнитному потоку внутри сердечника. Этот поток индуцирует напряжение во вторичной и первичной катушках, демонстрируя закон индукции Фарадея.
На схеме выше показаны основные компоненты трансформатора: магнитопровод с первичной и вторичной обмотками, намотанными на его концах. Переменное напряжение (Vp), подаваемое на первичную обмотку, создает переменный ток (Ip), порождающий переменный магнитный поток внутри магнитопровода. Этот поток индуцирует напряжение в каждом витке первичной и вторичной катушек.
Поскольку поток остается постоянным как в первичной, так и во вторичной обмотках:
Это уравнение показывает, что, управляя соотношением числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной, можно увеличивать или уменьшать переменное напряжение (эффект преобразования напряжения). Также можно продемонстрировать, что: Вольт-амперы первичной обмотки = Вольт-амперы вторичной обмотки.
Отсюда видно, что, изменяя соотношение витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличить или уменьшить переменный ток (эффект преобразования тока). Важно отметить, что между первичной и вторичной обмотками нет прямого электрического соединения.
Таким образом, трансформаторы служат средством изоляции одной цепи от другой. Эти функции (преобразование напряжения/тока и изоляция) не могут быть эффективно выполнены другими средствами, поэтому они присутствуют практически в каждом элементе электрического и электронного оборудования в мире.
Магнитные свойства материалов сердечника существенно влияют на работу трансформатора. Когда первичная обмотка трансформатора находится под напряжением, намагничивающий ток создает намагничивающую силу (H), которая генерирует магнитный поток (B) в сердечнике. Взаимосвязь между B и H отображается кривой B-H материала. Намагничивающая сила (H) равна произведению намагничивающего тока и числа витков, выраженному в ампер-витках. Кривые B-H иллюстрируют изменение плотности потока в зависимости от силы намагничивания; с увеличением H растет B, пока не наступит насыщение в материале сердечника. При насыщении дальнейшее увеличение H не приводит к значительному увеличению B, поэтому для повышения эффективности трансформаторов крайне важно проектировать их так, чтобы они работали ниже насыщения.
Из кривой B-H видно, что при увеличении намагничивающей силы от нуля поток увеличивается до максимального значения. За этим уровнем дальнейшее увеличение намагничивающей силы не приводит к значительному увеличению потока; это состояние называется ‘насыщением’. Трансформаторы обычно проектируются таким образом, чтобы плотность магнитного потока оставалась ниже уровня насыщения.
Плотность потока можно рассчитать, используя:
Где:
Примечание:
1 Тесла = 1 Вебер/м²
1 Вебер/м² = 10 000 Гаусс
1 ампер-оборот на метр = 4π × 10-³ Оберстедов
На практике все намагниченные материалы сохраняют некоторую намагниченность даже при уменьшении силы намагничивания до нуля - этот эффект известен как ‘реманентность’, что приводит к различным реакциям на уменьшение и увеличение силы намагничивания - явление, называемое ‘петлей гистерезиса’.’
Петля гистерезиса иллюстрирует истинный B-H отклик материала, наклон, уровень насыщения и размер которого зависят от типа материала и других факторов.
Эту концепцию можно проиллюстрировать на примерах:
 | Низкосортное железное ядро Высокая плотность потока насыщения Большая петля = большие потери на гистерезис Подходит для 50/60 Гц |
 | Высококачественный железный сердечник Высокая плотность потока насыщения Средняя петля = средние потери на гистерезис Подходит для трансформаторов 400 Гц |
 | Ферритовый сердечник - без воздушного зазора Плотность потока среднего насыщения Малая петля = малые потери на гистерезис Подходит для высокочастотных трансформаторов |
 | Ферритовый сердечник - большой воздушный зазор Малая петля = малые потери на гистерезис Подходит для высокочастотных индукторов с большим постоянным током |
Кривая B-H иллюстрирует явление, известное как гистерезис, когда намагниченность материала сердечника не сразу следует за намагничивающей силой. Это отставание приводит к потерям энергии, называемым гистерезисными потерями. Материалы с большими петлями гистерезиса имеют большие потери, поскольку эти потери представлены площадью, заключенной в петле гистерезиса B-H. Поэтому для достижения максимальной эффективности сердечники трансформаторов изготавливаются из материалов с низкими потерями на гистерезис.
Вихревые токи, также называемые токами Фуко, представляют собой петли электрического тока, индуцированные в материале сердечника переменным магнитным потоком. Эти токи создают резистивные потери, приводящие к нагреву сердечника, - явление, известное как потери на вихревые токи. Для уменьшения этих потерь сердечники трансформаторов обычно изготавливаются из слоистых листов или ферритовых материалов, которые ограничивают пути, доступные для этих токов.
Идеальный трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками можно представить следующим образом:
Такой трансформатор характеризуется:
В реальности трансформаторы отклоняются от этой идеальной модели из-за различных неидеальных характеристик. Эквивалентные схемы трансформаторов учитывают эти аспекты:
Эти параметры помогают прогнозировать работу трансформатора и отклонения от идеальной модели. Многие из этих характеристик могут быть представлены в эквивалентной схеме трансформатора:
Где:
Эквивалентная схема трансформатора точно отражает реальные свойства его магнитной цепи, включая сердечник и обмотки. Таким образом, она может быть надежно использована для понимания и прогнозирования электрических характеристик трансформатора в различных сценариях. Понимание этих фундаментальных принципов и практических соображений позволяет инженерам эффективно проектировать, испытывать и применять трансформаторы в различных областях.
