Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Из этой статьи вы узнаете, что такое трансформатор, каков его принцип работы и для чего он необходим.

Назначение трансформаторов

Определение Трансформатор — это электрическое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при сохранении частоты.

Главная задача трансформаторов заключается в обеспечении эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния и адаптации напряжения под различные потребности. Их применение распространено в энергетике и промышленности.

Фото: pcrusgard.ru

Трансформаторы играют ключевую роль в сокращении энергетических потерь при передаче электроэнергии благодаря возможности повышения напряжения и снижения тока, что уменьшает тепловые потери в проводниках. В бытовых условиях они используются для понижения напряжения до безопасного уровня, пригодного для подключения электроприборов.

Самый распространенный тип трансформаторов — силовые трансформаторы, которые используются для изменения напряжения в электрических сетях. Помимо них в различных электронных устройствах также применяются импульсные трансформаторы и трансформаторы тока.

Области применения трансформаторов достаточно обширны: 

1. Передача энергии.
   Трансформаторы используются на высоковольтных линиях передачи для повышения напряжения, что позволяет снизить потери энергии при передаче на большие расстояния. После этого энергия поступает в распределительные трансформаторы, где напряжение снова преобразуется для использования в коммерческих системах.
2. Распределение энергии.
   В распределительных сетях трансформаторы устанавливаются на уровне трансформаторных подстанций для преобразования напряжения с целью обеспечения энергией домов, заводов и других помещений.
3. Промышленные предприятия.
   Трансформаторы используются в различных промышленных предприятиях, таких как сталелитейные, цементные заводы и т.д.
4. Электроника и электротехника.
   Трансформаторы применяются в устройствах электроники и электротехники, таких как источники питания, зарядные устройства, электронные устройства управления и т.д.
5. Автомобильная промышленность.
   Трансформаторы также используются в электромобилях для преобразования напряжения и зарядки аккумуляторов.

Трансформаторы являются неотъемлемой частью электроэнергетической инфраструктуры и электротехники, обеспечивая эффективную передачу и распределение электроэнергии.

Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Он состоит из двух обмоток, первичной и вторичной, намотанных на общий магнитопровод, обычно выполненный из ферромагнитного материала.

Фото: light-fizika.ru

При пропускании переменного тока через первичную обмотку трансформатора, в его магнитопроводе формируется переменное магнитное поле. Это поле индуцирует переменное напряжение во вторичной обмотке, что вызывает течение переменного тока через нее, если она подключена к источнику.

Отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках определяется коэффициентом трансформации, который вычисляется как соотношение числа витков в обмотках. Например, если на первичной обмотке 100 витков, а на вторичной 50 витков, то напряжение на вторичной обмотке будет вдвое меньше, чем на первичной.

Идеальный трансформатор

Определение Идеальный трансформатор — это теоретическая модель, которая помогает упростить анализ и расчеты.

В идеальном трансформаторе предполагается отсутствие потерь энергии, что означает, что вся энергия, подаваемая на первичную обмотку, передается на вторичную.

Основные условия для идеального трансформатора включают:

1. Отсутствие сопротивления в обмотках.
2. Магнитопровод без потерь и с магнитной проницаемостью.
3. Вся магнитная индукция сосредоточена внутри магнитопровода и не рассеивается в окружающее пространство.

При таких условиях коэффициент трансформации полностью определяется числом витков в обмотках и мощностью на первичной и вторичной обмотках.

Потери энергии в трансформаторе

Реальные трансформаторы, в отличие от идеальных, имеют потери энергии, которые можно разделить на несколько основных типов:

1. Медные потери или потери в обмотках.
   Возникают из-за сопротивления обмоток, что приводит к выделению тепла. Эти потери пропорциональны квадрату протекающего тока и сопротивлению проводников.
2. Потери в магнитопроводе.
   Возникают из-за перемагничивания ферромагнитного материала, или из-за индуцированных токов в магнитопроводе. Эти потери зависят от частоты переменного тока и свойств материала магнитопровода.
3. Потери на намагничивание.
   Связаны с необходимостью поддержания магнитного поля в магнитопроводе.

Для минимизации потерь трансформаторы проектируются с использованием высококачественных материалов и конструктивных решений. Например, для уменьшения потерь на вихревые токи используются тонкие листы стали с изоляцией между ними.