Нека вземем намотка с феромагнитна сърцевина и извадим омичното съпротивление на намотката като отделен елемент, както е показано на фигура 1.
Фигура 1. Индуктор с феромагнитна сърцевина
Когато в бобината се приложи променливо напрежение e c, съгласно закона за електромагнитната индукция възниква ЕМП на самоиндукция e L .
(1) където ψ
- връзка на потока, У- броя на завъртанията в намотката, Ее основният магнитен поток. Пренебрегваме потока на разсейване. Напрежението, приложено към бобината, и индуцираната ЕМП са балансирани. Съгласно втория закон на Кирхоф за входната верига можем да запишем:
e c + e L = i × Rобмен, (2)Където Р obm - активно съпротивление на намотката.
Тъй като e L >> i × Rобмен, тогава пренебрегваме спада на напрежението върху омичното съпротивление, тогава e c ≈ −e L. Ако мрежовото напрежение е хармонично, e c = E m cosω T, Че:
(3)
Нека намерим магнитния поток от тази формула. За да направите това, прехвърляме броя на завъртанията в намотката от лявата страна и магнитния поток Ф отдясно:
(4)
Сега да вземем неопределен интегралот дясната и лявата страна:
(5)Тъй като считаме магнитната верига за линейна, тогава във веригата протича само хармоничен ток и няма постоянен магнит или постоянен компонент на магнитния поток, тогава интеграционната константа c \u003d 0. Тогава частта пред синуса е амплитудата на магнитния поток
(6)откъдето изразяваме амплитудата на входната ЕМП
E m =Е m × W & пъти ω (7)Ефективната му стойност е
(8) (9)Извиква се израз (9). основната формула на ЕМП на трансформатора, което е валидно само за хармонично напрежение. При нехармонично напрежение той се модифицира и се въвежда така нареченият фактор на формата, равен на съотношението на ефективната стойност към средната:
(10)
Намерете коефициента на форма за хармоничен сигнал, докато средната стойност се намира в интервала от 0 до π/2
(11)
Тогава форм факторът е 
и основната формула на ЕМП на трансформатора приема крайната форма:
Ако сигналът е последователност правоъгълни импулсис еднаква продължителност (меандър), тогава амплитудата, ефективните и средните стойности за половината период са равни една на друга и неговата к f = 1. Можете да намерите форм фактора за други сигнали. Основната формула за ЕМП на трансформатора ще бъде валидна.
Нека изградим векторна диаграма на намотка с феромагнитна сърцевина. При синусоидално напрежение на клемите на бобината, неговият магнитен поток също е синусоидален и изостава от напрежението във фаза с ъгъл π / 2, както е показано на фигура 2.
Продължаваме запознанството си с електронни компонентии в тази статия ще разгледаме устройство и принцип на действие на трансформатора.
Трансформаторите се използват широко в радио- и електротехниката и се използват за пренос и разпределение на електрическа енергия в електрически мрежи, за захранване на вериги на радиооборудване, в преобразувателни устройства, като заваръчни трансформатори и др.
Трансформаторпредназначени да преобразуват променливо напрежение с една величина в AC напрежениедруг размер.
В повечето случаи трансформаторът се състои от затворена магнитна верига (ядро) с две (намотки), разположени върху нея, електрически несвързани помежду си. Магнитната верига е направена от феромагнитен материал, а намотките са навити с изолирана медна жица и поставени върху магнитната верига.
Една намотка е свързана към източника променлив токи се обади първичен(I), напрежението се премахва от другата намотка, за да захрани товара и намотката се извиква втори(II). Схематично разположение на прост трансформатор с две намотки е показано на фигурата по-долу.
1. Принципът на действие на трансформатора.
Принципът на работа на трансформатора се основава на явлението електромагнитна индукция.
Ако към първичната намотка се приложи променливо напрежение U1, тогава променлив ток ще тече през завоите на намотката io, които около намотката и в магнитната верига ще създадат променливо магнитно поле. Магнитното поле образува магнитен поток Fo, който, преминавайки през магнитната верига, пресича завоите на първичната и вторичната намотка и индуцира (индуцира) променлива ЕМП в тях - e1И д2. И ако свържете волтметър към клемите на вторичната намотка, той ще покаже наличието на изходно напрежение U2, която ще бъде приблизително равна на индуцираната емф д2.
Когато е свързан към вторичната намотка на товар, например лампа с нажежаема жичка, в първичната намотка се появява ток I1, който образува променлив магнитен поток в магнитната верига F1променя се със същата честота като тока I1. Под въздействието на променлив магнитен поток във веригата на вторичната намотка възниква ток I2, което от своя страна създава противодействащ магнитен поток според закона на Ленц F2, стремейки се да демагнетизира магнитния поток, който го генерира.
В резултат на демагнетизиращото действие на потока F2в магнитната верига се установява магнитен поток Foравна на разликата в потока F1И F2и да бъдеш част от потока F1, т.е.
Полученият магнитен поток Foосигурява пренос на магнитна енергия от първичната към вторичната намотка и индуцира електродвижеща сила във вторичната намотка д2, под въздействието на които протича ток във вторичната верига I2. Поради наличието на магнитен поток Foи има течение I2, което ще бъде колкото повече, толкова повече Fo. Но в същото време, толкова по-актуален I2, толкова по-голям е противоположният поток F2и следователно по-малко Fo.
От казаното следва, че за определени стойности на магнитния поток F1и съпротива вторична намоткаИ товариса зададени подходящи стойности на ЕМП д2, текущ I2и поток F2, осигуряващ баланса на магнитните потоци в магнитната верига, изразен с горната формула.
По този начин разликата в потока F1И F2не може да бъде равно на нула, тъй като в този случай няма да има главна нишка Fo, а без него не би могло да има поток F2и ток I2. Следователно, магнитният поток F1, създаден от първичния ток I1, винаги по-голям магнитен поток F2генериран от вторичния ток I2.
Големината на магнитния поток зависи от тока, който го създава и от броя навивки на намотката, през която преминава.
Напрежението на вторичната намотка зависи от съотношението на броя на завъртанията в намотките. При същия брой завъртания напрежението на вторичната намотка ще бъде приблизително равно на напрежението, подадено към първичната намотка, и такъв трансформатор се нарича разделяне.
Ако вторичната намотка съдържа повече намотки от първичната, тогава развитото в нея напрежение ще бъде повече напрежениесе подава към първичната намотка и се нарича такъв трансформатор повдигане.
Ако вторичната намотка съдържа по-малко намотки от първичната, тогава нейното напрежение ще бъде по-малко от напрежението, подадено към първичната намотка, и такъв трансформатор се нарича понижаване.
Следователно. Чрез избор на брой навивки на намотките, при дадено входно напрежение U1получават това, което искат изходно напрежение U2. За да направите това, те използват специални методи за изчисляване на параметрите на трансформаторите, с помощта на които се изчисляват намотките, се избира напречното сечение на проводниците, определя се броят на завоите, както и дебелината и вида на магнитна верига.
Трансформаторът може да работи само в AC вериги. Ако първичната му намотка е свързана към източник постоянен ток, тогава в магнитната верига се образува магнитен поток, който е постоянен във времето, по големина и посока. В този случай няма да се индуцира променливо напрежение в първичната и вторичната намотка и следователно няма да се прехвърля електрическа енергия от първичната верига към вторичната. Ако обаче в първичната намотка на трансформатора тече пулсиращ ток, тогава във вторичната намотка ще се индуцира променливо напрежение, чиято честота ще бъде равна на честотата на пулсациите на тока в първичната намотка.
2. Трансформаторно устройство.
2.1. Магнитна сърцевина. магнитни материали.
Предназначение магнитна сърцевинае да се създаде затворен път за магнитния поток, който има минимално магнитно съпротивление. Следователно, магнитните вериги за трансформатори са направени от материали с висока магнитна проницаемост в силни променливи магнитни полета. Материалите трябва да имат ниски загуби от вихрови токове, за да не прегряват магнитната верига при достатъчно високи стойности на магнитна индукция, да са достатъчно евтини и да не изискват сложна механична и термична обработка.
Магнитни материали, използвани за производството на магнитни ядра, се произвеждат под формата на отделни листове или под формата на дълги ленти с определена дебелина и ширина и се наричат електротехнически стомани.
Листовите стомани (GOST 802-58) се произвеждат чрез горещо и студено валцуване, зърнестите лентови стомани (GOST 9925-61) се произвеждат само чрез студено валцуване.
Също така се използват желязо-никелови сплави с висока магнитна проницаемост, например пермалой, перминдур и др. (GOST 10160-62) и нискочестотни магнитно меки ферити.
За производството на различни сравнително евтини трансформатори се използват широко електротехнически стомани, имащи ниска цена и позволяващи на трансформатора да работи както с постоянно намагнитване на магнитната верига, така и без него. Най-широко използваните студеновалцувани стомани най-доброто представянев сравнение с горещо валцувани стомани.
Сплави с висока магнитна пропускливостизползва се за производството на импулсни трансформатори и трансформатори, предназначени да работят при повишени и високи честоти от 50 - 100 kHz.
Недостатъкът на такива сплави е тяхната висока цена. Така например цената на пермалой е 10-20 пъти по-висока от цената на електрическата стомана, а пермендурът е 150 пъти по-висок. Въпреки това, в някои случаи използването им може значително да намали теглото, обема и дори общата цена на трансформатора.
Другият им недостатък е силното влияние върху магнитната проницаемост на постоянните отклонения, променливите магнитни полета, както и ниската устойчивост на механични натоварвания - удар, натиск и др.
от магнитно меки нискочестотни феритис висока начална пропускливост се правят пресовани магнитни ядра, които се използват за производството на импулсни трансформатори и трансформатори, работещи на високи честоти от 50 - 100 kHz. Предимството на феритите е тяхната ниска цена, а недостатъкът е ниската индукция на насищане (0,4 - 0,5 T) и силната температурна и амплитудна нестабилност на магнитната проницаемост. Следователно те се използват само в слаби полета.
Изборът на магнитни материали се извършва въз основа на електромагнитните характеристики, като се вземат предвид условията на работа и предназначението на трансформатора.
2.2. Видове магнитни вериги.
Магнитопроводите на трансформаторите се делят на ламиниран(подпечатан) и лента(усукани), изработени от листови материали и пресовани от ферити.
Ламиниранмагнитните ядра се сглобяват от плоски щамповани плочи с подходяща форма. Освен това плочите могат да бъдат направени от почти всякакви, дори много крехки материали, което е предимството на тези магнитни ядра.
Лентамагнитните вериги са направени от тънка лента, навита под формата на спирала, чиито навивки са здраво свързани помежду си. Предимството на лентовите магнитни вериги е пълното използване на свойствата на магнитните материали, което намалява теглото, размера и цената на трансформатора.
В зависимост от вида на магнитната верига трансформаторите се разделят на прът, бронираниИ тороидален. Освен това всеки от тези видове може да бъде както прът, така и лента.
прът.
В магнитни вериги тип прътнамотката е разположена на два пръта ( прътнаречена част от магнитната верига, върху която са разположени намотките). Това усложнява конструкцията на трансформатора, но намалява дебелината на намотката, което спомага за намаляване на индуктивността на утечка, консумацията на проводник и увеличава охлаждащата повърхност.
Пръчковите магнитни вериги се използват в изходни трансформатори с ниско ниво на шум, тъй като те са нечувствителни към въздействието на външни нискочестотни магнитни полета. Това се обяснява с факта, че под въздействието на външно магнитно поле в двете намотки се индуцират противоположни по фаза напрежения, които, ако навивките на намотките са еднакви, взаимно се компенсират. Като правило сърцевините на трансформаторите са направени с голяма и средна мощност.
бронирани.
В магнитната верига брониран типнамотката е разположена на централния прът. Това опростява конструкцията на трансформатора, позволява по-пълно използване на прозореца на намотката и също така създава известна механична защита за намотката. Следователно такива магнитни вериги са получили най-голямо приложение.
Известен недостатък на бронираните магнитни вериги е тяхната повишена чувствителност към нискочестотни магнитни полета, което ги прави неподходящи за използване като изходни трансформатори с ниско ниво на шум. Най-често трансформаторите със средна мощност и микротрансформаторите се правят бронирани.
Тороидален.
Тороидаленили пръстентрансформаторите позволяват по-добро използване на магнитните свойства на материала, имат ниски потоци на изтичане и създават много слабо външно магнитно поле, което е особено важно при високочестотни и импулсни трансформатори. Но поради сложността на производството на намотки, те не се използват широко. Най-често те са изработени от ферит.
За да се намалят загубите от вихрови токове, ламинираните магнитни ядра се сглобяват от щамповани плочи с дебелина 0,35 - 0,5 mm, които са покрити от едната страна със слой лак с дебелина 0,01 mm или с оксиден филм.
Лентата за лентови магнитни вериги има дебелина от няколко стотни до 0,35 mm и също е покрита с електроизолираща и едновременно с това лепилна суспензия или оксиден филм. И колкото по-тънък е изолационният слой, толкова по-плътно е запълването на напречното сечение на магнитната верига с магнитен материал, толкова по-малки са общите размери на трансформатора.
Напоследък, наред с разглежданите "традиционни" видове магнитни сърцевини, се използват нови форми, които включват магнитни сърцевини тип "кабел", "обърнат тор", бобина и др.
Нека приключим с това за сега. Да продължим в.
Късмет!
Литература:
1. В. А. Волгов - "Детайли и компоненти на радиоелектронно оборудване", Енергетика, Москва, 1977 г.
2. В. Н. Ванин - "Токови трансформатори", Издателство "Енергия", Москва 1966 г. Ленинград.
3. И. И. Белополски - "Изчисляване на трансформатори и дросели с малка мощност", М-Л, Госенергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров - „Трансформърс. Том 1. Основи на теорията, Държавно енергийно издателство, Москва 1934 г. Ленинград.
5. В. Г. Борисов, - " Млад радиолюбител”, Москва, „Радио и комуникация”, 1992 г
Да вземем намотка с феромагнитна сърцевина и да извадим омичното съпротивление на намотката като отделен елемент, както е показано на фиг. 2.8.
Фигура 2.8 - Към извеждането на формулата за ЕМП на трансформатора
Когато в намотката се включи променливо напрежение e c, съгласно закона за електромагнитната индукция възниква ЕМП на самоиндукция e L .
(2.8)
където ψ е връзката на потока,
W е броят на намотките в намотката,
Ф е основният магнитен поток.
Пренебрегваме потока на разсейване. Напрежението, приложено към бобината, и индуцираната ЕМП са балансирани. Съгласно втория закон на Кирхоф за входната верига можем да запишем:
e c + e L = i * R обмен, (2.9)
където R obm е активното съпротивление на намотката.
Тъй като обменът на e L >> i * R, ние пренебрегваме спада на напрежението върху омичното съпротивление, тогава e c ≈ – . Ако мрежовото напрежение е хармонично е с = E m cos ωt, то E m cos ωt = , откъдето 
. Нека намерим магнитния поток. За да направим това, вземаме неопределения интеграл от дясната и лявата страна. Получаваме
, (2.10)
но тъй като считаме, че магнитната верига е линейна, във веригата протича само хармоничен ток и няма постоянен магнит или постоянен компонент, тогава константата на интегриране c \u003d 0. Тогава частта пред хармоничния фактор е амплитудата на магнитният поток, от който изразяваме E m \u003d Ф m * W * ω. Ефективната му стойност е
Или получаваме
където s е напречното сечение на магнитната верига (ядро, стомана).
Изразът (2.11) се нарича основната формула на ЕМП на трансформатора, която е валидна само за хармонично напрежение. Обикновено той се модифицира и се въвежда така нареченият фактор на формата, равен на съотношението на ефективната стойност към средната:
. (2.12)
Нека го намерим за хармоничен сигнал, но намираме средната стойност на интервала
Тогава форм факторът е 
и основната формула на ЕМП на трансформатора приема крайната форма:
(2.13)
Ако сигналът е меандър, тогава амплитудата, ефективните и средните стойности за половината от периода са равни една на друга и неговата. Можете да намерите форм фактора за други сигнали. Основната формула за ЕМП на трансформатора ще бъде валидна.
Нека изградим векторна диаграма на намотка с феромагнитна сърцевина. При синусоидално напрежение на клемите на намотката, неговият магнитен поток също е синусоидален и изостава от напрежението във фаза с ъгъл π / 2, както е показано на фиг. 2.9a.
Фигура 2.9 - Векторна диаграма на намотка с феромагнетик
ядро a) без загуба; б) със загуби
В намотка без загуби токът на намагнитване - реактивен ток (I p) съвпада във фаза с магнитния поток Ф m. Ако има загуби в сърцевината (), тогава ъгълът е ъгълът на загубите за повторно намагнитване на сърцевината. Активният компонент на тока I a характеризира загубите в магнитната верига.
Въпрос 7. ЕМП на трансформаторни намотки.
Принципът на действие на трансформатора се основава на явлението електромагнитна индукция (взаимна индукция). Взаимната индукция се състои в индуциране на ЕМП в индуктивна намотка, когато токът се променя в другата намотка.
Под въздействието на променлив ток в първичната намотка се създава променлив магнитен поток в магнитната верига
който прониква през първичната и вторичната намотки и индуцира в тях ЕДС
където са амплитудните стойности на ЕМП.
Ефективната стойност на ЕМП в намотките е
;
.
Съотношението на ЕМП на намотките се нарича коефициент на трансформация
Ако , тогава вторичният ЕМП е по-малък от първичния и трансформаторът се нарича понижаващ трансформатор, с повишаващ трансформатор.
Въпрос 8. Векторна диаграма на идеален трансформатор на празен ход.
Тъй като разглеждаме идеален трансформатор, т.е. без разсейване и загуба на мощност, тогава токът x.x. е чисто магнетизиращо - , т.е. създава магнетизираща сила, която създава поток, където е магнитното съпротивление на сърцевината, състоящо се от съпротивлението на стоманата и съпротивлението в ставите на сърцевината. Както амплитудата, така и формата на кривата на тока зависят от степента на насищане на магнитната система. Ако потокът се променя синусоидално, тогава при ненаситена стомана кривата на тока на празен ход е почти също синусоидална. Но когато стоманата е наситена, кривата на тока все повече се различава от синусоидата (фиг. 2.7.) Кривата на тока x.x. могат да бъдат разложени на хармоници. Тъй като кривата е симетрична спрямо оста x, серията съдържа само хармоници от нечетен ред. Първи хармоничен ток аз ( 01) е във фаза с основния поток. От висшите хармоници най-силно е изразен третият хармоник на тока аз ( 03) .
Фигура 2.7 X.X токова крива
Ефективна стойност на тока на празен ход:
.
(2.22)
Тук аз 1 м , аз 3 м , аз 5 м- амплитудите на първия, третия и петия хармоник на тока на празен ход.
Тъй като токът на празен ход изостава от напрежението с 90 , активната мощност, консумирана от идеален трансформатор от мрежата, също е нула, т.е. Идеалният трансформатор черпи чисто реактивна мощност и магнетизиращ ток от мрежата.
Векторната диаграма на идеален трансформатор е показана на фиг. 2.8.
Ориз. 2.8. Векторна диаграма на идеален трансформатор
Въпрос 9 Векторна диаграма на празен ход на реален трансформатор.
В истински трансформатор има разсейване и загуби в стомана и мед. Тези загуби се покриват от мощността Р 0 влизане в трансформатора от мрежата.
Където аз 0a - ефективна стойност на активния компонент на тока на празен ход.
Следователно токът на празен ход на истински трансформатор има две напускания: намагнитване - създаване на основния поток Еи съвпадащ с него във фаза и активен:
Векторната диаграма на реален трансформатор е показана на фиг. 2.9.
Следователно обикновено този компонент има малък ефект върху стойността на тока на празен ход, но повече влияе върху формата на кривата на тока и неговата фаза. Кривата на тока на празен ход е очевидно несинусоидална и се измества във времето спрямо кривата на потока под ъгъл, наречен ъгъл на магнитно забавяне.
Чрез замяна на действителната крива на тока на празен ход с еквивалентна синусоида, уравнението на напрежението може да бъде написано в сложна форма, където всички количества варират синусоидално:
Като се има предвид, че ЕМП на разсейване,
Ориз. 2.9. Векторна диаграма на реален трансформатор
Ориз. 2.11. Векторна диаграма на напрежението на трансформатора, режим на празен ход
През 1876г П.И. Яблочковпредложи използването на трансформатор за захранване на свещите. В бъдеще дизайнът на трансформаторите е разработен от друг руски изобретател, механик И.Ф. Усагин,който предложи използването на трансформатори за захранване не само на свещи Яблочков, но и на други потребители на електрическа енергия.
Трансформаторът е електрически апарати, базиран на явлението взаимна индукция и предназначен да преобразува променлив ток с едно напрежение в променлив ток с различно напрежение, но със същата честота. Най-простият трансформатор има стоманена сърцевина и две намотки, изолирани както от сърцевината, така и една от друга.
Намотката на трансформатор, който е свързан към източник на напрежение, се нарича първична намотка,и се нарича намотката, към която са свързани консуматорите или преносните линии, водещи до консуматорите вторична намотка.
Променлив ток, преминаващ през първичната намотка, създава променлив магнитен поток, който се свързва с витките на вторичната намотка и индуцира в тях ЕДС.
Тъй като магнитният поток е променлив, индуцираната ЕМП във вторичната намотка на трансформатора също е променлива и нейната честота е равна на честотата на тока в първичната намотка.
Променливият магнитен поток, преминаващ през сърцевината на трансформатора, пресича не само вторичната, но и първичната намотка на трансформатора. Следователно в първичната намотка също ще се индуцира ЕМП.
Големината на ЕМП, индуцирана в намотките на трансформатора, зависи от честотата на променливия ток, броя на завоите на всяка намотка и големината на магнитния поток в сърцевината. При определена честота и постоянен магнитен поток стойността на ЕМП на всяка намотка зависи само от броя на завоите на тази намотка. Тази връзка между стойностите на EMF и броя на завъртанията на намотките на трансформатора може да се изрази по формулата: ?1 / ?2 = N1 / N2, където? 1 и?
Разликата между ЕМП и напрежението е толкова малка, че връзката между напреженията и броя на навивките на двете намотки може да се изрази с формулата: U1 /U2==N1/N2. Разликата между EMF и напрежението в първичната намотка на трансформатора става особено малка, когато вторичната намотка е отворена и токът в нея е нула (на празен ход), а в първичната намотка протича само малък ток, наречен ток на празен ход . В този случай напрежението на клемите на вторичната намотка е равно на ЕМП, индуцирана в нея.
Числото, показващо колко пъти напрежението в първичната намотка е по-голямо (или по-малко) от напрежението във вторичната намотка, се нарича коефициент на трансформация и се обозначава с буквата к. k = U1 / U2? N1/N2.
Номиналното напрежение на намотките за високо и ниско напрежение, посочено на табелката на трансформатора, се отнася за режим на празен ход.
Трансформаторите, които служат за увеличаване на напрежението, се наричат повишаващи; техният коефициент на трансформация е по-малък от единица. Понижаващите трансформатори намаляват напрежението; техният коефициент на трансформация е по-голям от единица.
Режимът, при който вторичната намотка на трансформатора е отворена и към клемите на първичната намотка се прилага променливо напрежение, се нарича празен ход или работа на празен ход на трансформатора.