Эле́ктротрансформа́тор, в разговорной речи чаще просто трансформа́тор (от — «превращать, преобразовывать») — 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 частотыГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения.Патент на изобретение 809451, СССР. 01.03.78..
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.
История Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теорииХарламова Т. Е. История науки и техники. Электроэнергетика. Учебное пособие.-СПб: СЗТУ, 2006. 126 с..
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. 29 августа 1831 года Фарадей описал в своём дневнике опыт, в ходе которого он намотал на железное кольцо диаметром 15 см и толщиной 2 см два медных провода длиной 15 и 18 см. При подключении к зажимам одной обмотки батареи гальванических элементов начинал отклоняться гальванометр на зажимах другой обмотки. Так как Фарадей работал с постоянным током, при достижении в первичной обмотке своего максимального значения ток во вторичной обмотке исчезал, и для возобновления эффекта трансформации требовалось отключить и снова подключить батарею к первичной обмотке.
Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах М. Фарадея и Д. Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного токаКислицын А. Л. Трансформаторы: Учебное пособие по курсу «Электромеханика».- Ульяновск: УлГТУ, 2001. — 76 с ISBN 5-89146-202-8.
В 1848 году немецкий механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.
Александр Григорьевич Столетов (профессор Московского университета) сделал первые шаги в этом направлении. Он обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1872 год).
30 ноября 1876 года, дата получения патента Павлом Николаевичем ЯблочковымФранцузский патент № 115793 на имя Jablochkoff от 30 ноября 1876 года под названием «Disposition de courants, destinée à l'éclairage par la lumière électrique», сноска на него присутствует в следующем издании: , считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.
Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон.
В 1885 г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.
Братья Гопкинсон разработали теорию электромагнитных цепей. В 1886 году они научились рассчитывать магнитные цепи.
Эптон, сотрудник Эдисона, предложил делать сердечники наборными, из отдельных листов, чтобы снизить потери на вихревые токи.
Большую роль для повышения надёжности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д. Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надёжность изоляции обмотокк. т. н. Савинцев Ю. М. Силовые трансформаторы: основные вехи развития // 25.01.2010.
С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Российский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока с тремя проводамиТрёхфазная система переменного тока с шестью проводами изобретена Николой Теслой, патент США № 381968 от 01.05.1888, заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887., построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и трёхфазной обмоткой на ротореТрёхфазный асинхронный двигатель изобретён Николой Теслой, патент США № 381968 от 01.05.1888, заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887., первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 кВ.
В начале 1900-х английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремнияИстория трансформатора // energoportal.ru /доступно на 02.08.2008/ .
Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются улучшенные магнитные свойства вдоль направления прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на , потери на гистерезис сокращались в , а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.
Базовые принципы действия
Работа трансформатора основана на двух базовых принципах: Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм). Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция).
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт 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 на вторичной обмотке связана с формой напряжения на 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. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.
Трансформаторы работают только на переменном токе.
Закон Фарадея
ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит:
где: — напряжение на вторичной обмотке; — число витков во вторичной обмотке; — суммарный магнитный поток через один виток обмотки.
Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю и площади , через которую он проходит.
ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно равна:
где: — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки; — число витков в первичной обмотке.
Разделив уравнение на , получим отношение:
Уравнения идеального трансформатора
Идеальный трансформатор — трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на гистерезис, 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 числу её 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:
где: — мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, которая возникает в первичной цепи; — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.
Объединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:
Абсолютное количество витков в обмотках трасформатора не может быть выбрано произвольным, на основе лишь требуемого коэффициента трансформации. Оно зависит от важного расчётного параметра — количество витков на 1 вольт (или же обратная величина — эффективная ЭДС одного витка), который, в свою очередь, зависит от сечения сердечника и в конечном итоге от габаритной мощности трансформатора. (Подробнее см. Вторичный источник электропитания#Габариты трансформатора). Кроме того, в количество витков реального трансформатора вносятся поправки, учитывающие потери энергии в сердечнике и обмотках.
где — коэффициент трансформации.
Таким образом, при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки , уменьшается ток вторичной цепи .
Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет . Данное правило справедливо также и для первичной цепи:
Формально идеальный трансформатор описывается с помощью модели четырёхполюсника.
Модель реального трансформатора В модели идеального трансформатора для упрощения не учитываются некоторые явления, наблюдаемые на практике и которыми не всегда можно пренебречь:
Наличие ненулевого тока холостого хода В общем случае для магнитоэлектрической системы, которой является и реальный трансформатор, циркуляция вектора напряжённости магнитного поля по контуру равна полному току, находящемуся внутри контура.
Математически описание этого явления производится с помощью уравнения полного тока. В системе СИ оно будет иметь следующий вид:
где: — вектор напряжённости магнитного поля, [А/м]; — элементарный участок контура интегрирования (векторная величина), [м]; — суммарный ток, охватываемый контуром интегрирования; — токи переходных процессов, возникающие в трансформаторе.
Применительно к двухобмоточному трансформатору, работающему под нагрузкой, закон полного тока можно упрощённо записать как:
где: — напряжённость магнитного поля в магнитопроводе (полагается постоянной); — длина средней линии магнитопровода; — магнитодвижущая сила (далее МДС) первичной обмотки; — МДС вторичной обмотки; — токи протекающие по обмоткам; — количество витков в обмотках.
Для холостого хода, то есть при получаем , откуда и тогда из при получится соотношение для идеального трансформатора тока:
В ряде случаев учёт тока холостого хода обязателен: