Содержание


Введение................................................................................................................................. 2

1. Основные термины и определения......................................................................................... 3

2. Классификация трансформаторов............................................................................................5

3. Основные элементы конструкции трансформаторов............................................................ 7

3.1. Сердечники магнитопроводов трансформаторов........................................................7

3.2. Катушки трансформаторов...........................................................................................11

3.3. Защита трансформаторов от внешних воздействий..................................................12

4. Принцип работы трансформатора..........................................................................................14

5. Потери в трансформаторах.................................................................................................... 14

6. Режимы работы трансформатора...........................................................................................16

6.1. Режим холостого хода..........................................................................................................16

6.2. Режим работы под нагрузкой.......................................................................................17

6.3. Режим короткого замыкания........................................................................................18

7. Электрические параметры трансформаторов.......................................................................18

7.1. Электрические параметры трансформаторов питания..............................................18

7.2. Электрические параметры согласующих трансформаторов.....................................17

7.3. Электрические параметры импульсных трансформаторов......................................19

8. Обозначения трансформаторов..............................................................................................20

9. Отказы трансформаторов........................................................................................................21

Список литературы..............................................................................................................23

Приложение

Введение


Изобретателем трансформатора является русский ученый П.Н. Яблочков, который в 1876 году использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Этот трансформатор имел незамкнутый магнитопровод. С изобретением трансформатора повысился интерес к переменному току, который до этого времени не применялся.

Выдающийся русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский в 1889 году предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный трансформатор.

В дальнейшем происходит быстрый рост промышленности и транспорта. К трансформаторам предъявляют более высокие требования в отношении повышения их экономичности и уменьшения веса и габаритов. Проводится большая работа по изучению электромагнитных и тепловых процессов, происходящих при работе трансформатора; изысканию новых изоляционных материалов и улучшению свойств электротехнической стали.

В настоящее время при разработке ЭВС используют электромагнитные устройства, и в первую очередь трансформаторы различных типов. В большинстве случаев используемые трансформаторы во многом определяют такие технические характеристики ЭВС как надежность, устойчивую работу и некоторые другие. Поэтому к их изготовлению и выбору магнитопроводов, обмоточных проводов и материалов для них предъявляются специальные жесткие технические требования, позволяющие обеспечить надежную эксплуатацию. Материалы, из которых изготавливают магнитопроводы и сердечники для трансформаторов, должны обладать высокой магнитной проницаемостью в сильных электрических полях, имеющих переменные значения; малыми потерями на вихревые токи и перемагничивание; высокой технологичностью при изготовлении; невысокой стоимостью /1/.

1. Основные термины и определения


При изготовлении трансформаторов промышленного и бытового назначения РЭА применяют стандартизованные термины и определения, обязательные для применения в документации всех видов, научно-технической и справочной литературе. Приведенные ниже термины и их определения соответствуют государственным стандартам /2, 3, 4, 5/.

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько систем переменного тока.

Силовой трансформатор - трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии.

Трансформатор малой мощности - трансформатор с выходной мощностью 4 кВА и ниже для однофазных, 5 кВА и ниже для трехфазных.

Различают электромагнитную, полезную, полную, расчетную и типовую мощности трансформатора /6/.

Электромагнитная мощность трансформатора - мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную электромагнитным путем.

Полезная или отдаваемая мощность трансформатора - произведение действующих значений напряжения вторичной обмотки на величину протекающего по ней тока (тока нагрузки).

Полная потребляемая мощность трансформатора – произведение действующих значений напряжения на зажимах первичной обмотки на величину тока, потребляемого трансформатором из сети. Величина мощности, потребляемая трансформатором из сети, больше мощности, отдаваемой нагрузке, за счет потерь энергии в магнитопроводе и обмотках.

Расчетная (номинальная) мощность трансформатора - произведение действующих значений токов, протекающих по вторичным обмоткам, на величину напряжений на их зажимах. Эта мощность характеризует собой габаритные размеры трансформатора. В том случае, когда трансформатор работает на чисто активную нагрузку, отдаваемая им мощность равна расчетной мощности вторичной обмотки.

Типовая или габаритная мощность трансформатора - мощность, определяющая размеры трансформатора.

Трансформатор питания электронной аппаратуры – трансформатор малой мощности, предназначенный для преобразования напряжения электрических сетей в напряжения, необходимые для питания электронной аппаратуры.

Сетевой трансформатор питания - трансформатор питания электронной аппаратуры, предназначенный для работы от сети переменного тока.

Трансформатор общего назначения - силовой трансформатор, предназначенный для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для непосредственного питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы.

Понижающий трансформатор - трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения.

Повышающий трансформатор - трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения.

Высокопотенциальный трансформатор питания электронной аппаратуры - трансформатор питания электронной аппаратуры, имеющий хотя бы в одной из точек его электрической цепи максимальный потенциал, превышающий 1500 В амплитудного значения.

Однофазный трансформатор - трансформатор, в магнитной системе которого создается однофазное магнитное поле.

Трехфазный трансформатор - трансформатор, в магнитной системе которого создается трехфазное магнитное поле.

Двухобмоточный трансформатор - трансформатор, имеющий две основные гальванически не связанные обмотки.

Многообмоточный трансформатор - трансформатор, имеющий более двух основных гальванически не связанных обмоток.

Регулируемый трансформатор - трансформатор, допускающий регулирование напряжения одной или более обмоток с помощью специальных устройств, встроенных в конструкцию трансформатора.

Сигнальный трансформатор - трансформатор малой мощности, предназначенный для передачи, преобразования, запоминания электрических сигналов.

Автотрансформатор - трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что имеют общую часть.

Герметичный трансформатор - трансформатор, выполненный так, что исключается возможность сообщения между внутренним пространством его бака и окружающей средой.

Согласующий сигнальный трансформатор - сигнальный трансформатор, предназначенный для согласования различных полных сопротивлений электрических цепей при преобразовании и передаче электрических сигналов.

Импульсный сигнальный трансформатор - сигнальный трансформатор, предназначенный для передачи, формирования, преобразования и запоминания импульсных сигналов.

Входной согласующий сигнальный трансформатор – согласующий сигнальный трансформатор для согласования внутреннего полного электрического сопротивления источника сигнала с полным входным сопротивлением функционального узла электронной аппаратуры.

Выходной согласующий сигнальный трансформатор – согласующий сигнальный трансформатор для согласования выходного полного электрического сопротивления каскада электронной аппаратуры с полным сопротивлением нагрузки.

Коэффициент полезного действия (КПД) - отношение полезной активной мощности, отдаваемой в нагрузку, к полной активной мощности, потребляемой трансформатором из сети /6/.

2. Классификация трансформаторов


При разработке ЭВС наибольшее распространение получили малогабаритные трансформаторы малой мощности с выходной мощностью до 4 кВА.

Трансформаторы классифицируют по различным признакам /7/.

По функциональному назначению трансформаторы подразделяются на:

1. трансформаторы питания;

2. согласующие трансформаторы;

3. импульсные трансформаторы.

Трансформаторы питания предназначены для преобразования электрической энергии с максимальным коэффициентом полезного действия.

Трансформаторы согласования предназначены для передачи переменных электрических сигналов, несущих информацию с изменением уровня напряжений или токов или с гальванической развязкой цепей при минимальном искажении сигнала и потерь мощности в необходимом диапазоне частот. Трансформаторы согласования должны согласовывать сопротивление нагрузки с сопротивлением источников мощности в заданном диапазоне частот. Они должны иметь незначительные частотные искажения в определенной области частот и в них должны отсутствовать или быть в допустимых пределах нелинейные искажения. Трансформаторы согласования с целью уменьшения искажений работают при малых мощностях, их перегрев незначителен. Из-за значительных габаритов и массы трансформаторы согласования редко используются в ЭВС с интегральными схемами, они широко используются в бытовой ЭВС.

Импульсные трансформаторы предназначены для передачи коротких импульсов напряжения, обычно прямоугольной формы и работают в широком диапазоне частот. К ним предъявляются жесткие требования к индуктивности обмоток, особенно первичной, индуктивности рассеяния, собственной емкости обмоток, то есть к тем реактивностям, которые влияют на форму импульса. Импульсные трансформаторы широко применяются в аппаратуре для радиолокации, телевидения и импульсной радиосвязи. Они должны возможно меньше искажать форму трансформируемых сигналов напряжения.

Трансформаторы питания делятся на три группы:

• 
  маломощные с выходной мощностью менее 1 кВт и выходным напряжением не более 1000 В;
  
• 
  мощные с выходной мощностью более 1 кВт;
  
• 
  высоковольтные с выходным напряжением более 1000 В.
  

Конструкция трансформатора существенно зависит от частоты.

По рабочей частоте трансформаторы делятся на:

1. трансформаторы промышленной частоты 50 Гц;

2. трансформаторы повышенной промышленной частоты 400, 1000 Гц;

3. трансформаторы статические до 200 кГц.

По количеству обмоток трансформаторы делят на:

1. однообмоточные;

2. двухобмоточные;

3. многообмоточные.

Однообмоточные трансформаторы называются автотрансформаторами, гальванической развязки между входной и выходной цепью у них нет. Двухобмоточный трансформатор имеет одну первичную и одну вторичную обмотки. У многообмоточного трансформатора несколько вторичных обмоток.

Существует также классификация трансформаторов по конструктивному исполнению, то есть по исполнению магнитопровода и сердечника.

3. Основные элементы конструкции трансформаторов


Из принципа действия трансформатора следует, что он должен содержать магнитопровод и катушку. Как законченный конструктивно-технологический узел он должен включать ряд дополнительных элементов конструкции /8/:

• 
  механические элементы, обеспечивающие взаимное механическое крепление катушки и сердечника;
  
• 
  механические элементы для установки трансформатора в ЭВС;
  
• 
  элементы для электрического подключения в схему (выводы);
  
• 
  элементы защиты.
  

Рассмотрим отдельно каждый элемент конструкции трансформатора и технологию их изготовления.

3.1. Сердечники магнитопроводов трансформаторов.


Основой конструкции трансформатора является сердечник магнитопровода (далее будем называть магнитопровод) c высокой магнитной проницаемостью и малым уровнем потерь, изготовленный из стальной ленты, пластин, а также из феррита. Магнитопровод состоит из вертикальных частей - нескольких стержней и горизонтальных частей - ярма, представляющих вместе замкнутую систему для прохождения магнитных силовых линий. Вид и тип магнитопровода выбирается в зависимости от назначения трансформатора, рабочей частоты, условий эксплуатации.

По конструктивному выполнению магнитопроводы делятся на три основных типа: стержневые, броневые, тороидальные (рис. 1, приложение) /6/.



Рис.1. Типы магнитопроводоа
У броневого магнитопровода центральный стержень в два раза шире крайних. Обмотки броневого трансформатора располагаются на среднем стержне, крайние стержни служат только для распространения магнитного потока. Особенностью этого трансформатора является наличие одной катушки, более высокое заполнение окна магнитопровода, частичная защита катушки от механических повреждений.

В стержневых трансформаторах катушки располагаются на двух стержнях. Обычно на каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмотки. Они соединяются между собой последовательно так, чтобы намагничивающие силы этих полуобмоток совпадали по направлению. Стержневые трансформаторы менее чувствительны к внешним магнитным полям.

Обмотки тороидального трансформатора наматывают на магнитопровод по окружности. У таких трансформаторов ярмо отсутствует.

В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы стержневой, броневой, тороидальной конструкций бывают пластинчатые и ленточные (рис. 1, приложение) /6/.
Пластинчатые магнитопроводы набираются из отдельных пластин специальной формы, изготовляемых путем штамповки и изолируемых друг от друга слоем изоляционного материала для уменьшения потерь на вихревые токи.

Основные типы пластин в соответствии с ГОСТ 20249-80 приведены на рис. 2 (приложение). Также выпускаются Г-пластины, которые не гостированы, они выпускаются по техническим условиям (ТУ) .



Для уменьшения магнитного сопротивления пластины магнитопровода при штамповке ориентируют вдоль направления проката. Однако в направлении, перпендикулярном направлению проката, часть магнитопровода обладает повышенным магнитным сопротивлением из-за меньшего значения магнитной проницаемости. Для компенсации этого применяется уширение ярма.

Ленточные магнитопроводы навиваются из ленты. Ленточная конструкция более перспективна и находит широкое применение в современных унифицированных серийно выпускаемых трансформаторах ЭВС.

Трансформаторы, выполненные на ленточных магнитопроводах, по сравнению с пластинчатыми, имеют меньшие магнитные поля рассеяния, следовательно имеют большой коэффициент полезного действия.

Для обеспечения операции намотки обмоток ленточные магнитопроводы выполняются разрезными. В этом случае для получения хорошего магнитного контакта поверхности их стыка шлифуются с высокой степенью обработки, при сборке смазываются магнитопроводящими красками или клеями и плотно прижимаются. Типы разрезных ленточных магнитопроводов стержневой (рис. 3 а) и броневой (рис. 3 б) конструкций установлены ГОСТ 202050-76.



Рис. 3. Ленточные магнитопроводы
Ленточные магнитопроводы бывают также замкнутыми (неразрезными). Замкнутые магнитопроводы применяются при необходимости более полного использования магнитных свойств материала и уменьшения магнитных потерь. Однако при этом значительно удорожается процесс намотки.

Идеальным с точки зрения использования магнитных свойств магнитопровода является тороидальный трансформатор (Рис.3е) с ленточным кольцевым неразрезным магнитопроводом. У него минимальный поток рассеяния, малое магнитное сопротивление, высокие удельные массообъемные характеристики мощности. Основной недостаток - большая трудоемкость и высокая стоимость выполнения на нем обмоток.

В зависимости от типов применяемых при сборки пластин магнитопроводы подразделяются на следующие типы: ШI, ШШ, ШU, ПU (ПН), ШП (рис. 4) /9/.

Магнитопроводы типов ШI, ШШ, ШП в зависимости от сборки, определяющей взаимную ориентацию пластин, выполняются сборкой пластин встык (рис. 4 а, в, ж) и сборкой пластин внахлест (вперекрышку) (рис. 4 б, г, д, е). Магнитопроводы типов ШU, ПU (ПН) собирают только внахлест отдельными пластинами или пакетами из них. Сборка внахлест по сравнению со сборкой встык понижает общее магнитное сопротивление магнитопровода, поскольку большое магнитное сопротивление на участке стыка в одном ряду пластин шунтируется на этом участке малым магнитным сопротивлением соседнего ряда пластин.



Рис.4. Магнитопроводы различных типов
Тороидальные пластинчатые магнитопроводы (кольцевые) собираются из отдельных штампованных колец.

В основу обозначения магнитопроводов трансформаторов положены три буквы. Первая буква указывает геометрическую форму магнитопровода - П-образные, Ш-образные, О-образные. Вторая буква соответствует технологии изготовления (П - пластинчатый, Л - ленточный). Третья буква указывает соотношение размеров.

Примеры обозначения ленточных магнитопроводов стержневой и броневой конструкций:

ПЛ - П-образные, ленточные;

ПЛМ - П-образные, ленточные с уменьшенным отношением ширины окна к толщине навивки;

ПЛР - П-образные, ленточные с геометрическими размерами, обеспечивающими наименьшую стоимость трансформаторов;

ШЛ - Ш-образные, ленточные;

ШЛМ - Ш-образные, ленточные с уменьшенным отношением ширины окна к толщине навивки;

ШЛР - Ш-образные, ленточные с геометрическими размерами, обеспечивающими наименьшую стоимость трансформаторов;

ШЛО - Ш-образные, ленточные с увеличенным окном;

ШЛП - Ш-образные ленточные с увеличенным отношением ширины ленты к толщине навиивки.

Аналогично обозначаются пластинчатые магнитопроводы.

Например:

ПП - П-образные пластинчатые; ШП - Ш-образные пластинчатые и так далее.

Выбор магнитопроводов для трансформаторов с целью получения их с наименьшими массой, объемом и стоимостью следует производить в соответствии с рекомендациями, приведенными в ГОСТ 22050-76.

1. Магнитопроводы типа ПЛ применяют в низковольтных трансформаторах наименьшей массы на частоте от 50 до 400 Гц мощностью свыше 500 ВА.

2. Магнитопроводы типа ПЛМ применяют в низковольтных трансформаторах наименьших массы и стоимости на частоте 50 Гц мощностью свыше 100 ВА.

3. Магнитопроводы ПЛР применяют в трансформаторах наименьшей стоимости, рассчитанных на заданный перегрев.

4. Магнитопроводы типа ШЛ применяют в трансформаторах наименьшей массы на частоте 400 Гц.

5. Магнитопроводы типа ШЛМ применяют в трансформаторах наименьших массы и стоимости на частоте 50 Гц до мощности 100 ВА.

6. Магнитопроводы типа ШЛР применяют в трансформаторах наименьшей стоимости, рассчитанных на допустимое падение напряжения в обмотках.

7. Магнитопроводы типа ШЛО применяют в низковольтных трансформаторах на частотах от 1000 до 5000 Гц и в высоковольтных трансформаторах на частотах от 50 до 5000 Гц с наименьшими массой, объемом и стоимостью.

8. Магнитопроводы типа ШЛП применяют в трансформаторах наименьшего объема на частотах от 400 до 1000 Гц.

3.2. Катушки трансформаторов


Обмотки трансформаторов выполняются в основном на литых каркасах, образуя законченный конструктивный узел - катушку. Каркас придает механическую прочность и жесткость всей конструкции, а также играет важную роль в технологии изготовления трансформатора. Каркасы имеют различную конструкцию в зависимости от назначения трансформаторов, их стоимости, технологии намотки. Первой на каркасе (ближе всего к магнитопроводу) обычно располагается первичная обмотка, затем - вторичные. Для массового производства каркасы изготовляют методом прессования из пластмасс типа АГ-4 или ДСВ-2-Р-2М.

Обмотки в катушке могут располагаться одна над другой (цилиндрическое расположение) или одна сбоку относительно другой (секционированное расположение). Наиболее простой и широко распространенной является цилиндрическая намотка, при которой потокосцепление между обмотками лучше, а поток рассеяния меньше /9/.

Сравнительно редко применяется бескаркасная намотка на гильзы, в которой витки закрепляются способом намотки, называемым универсальным. Подобные обмотки более трудоемки и не имеют особых преимуществ перед каркасными обмотками. Гильзовая конструкция применяется в катушках с малым числом витков и слоев /9/.

Обмотки трансформатора характеризуются числом витков и средней длиной витка. Средняя длина витка определяется по геометрическим размерам магнитопровода, толщине обмотки и изоляционным расстоянием /8/.

Соединение обмотки с выводом осуществляют либо тем же проводом, которым намотана катушка, либо при малой толщине собственного провода - монтажным проводом . В обмотках, выполненных на каркасах, выводы могут быть выполнены гибкими проводами, используемыми в дальнейшем для электрического монтажа (пайка в плату), или соединяться со специальными контактами, впрессованными в щечки каркаса. В обмотках, выполненных на гильзах, выводы заделывают путем бандажирования под наружную изоляцию катушек.

Обмотки трансформаторов выполняются обычно медными изолированными обмоточными проводами круглого и прямоугольного сечения, обладающими хорошей теплостойкостью. Провода подразделяются на классы по температурному индексу (нагревостойкости) в  С: 105, 120, 130, 155, 180, 200, 220 и выше /9/.

3.3. Защита трансформаторов от внешних воздействий


При решении вопросов, относящихся к конструкции, необходимо учитывать внешние воздействия, в условиях которых должен работать трансформатор, и требования к его надежности. Для защиты трансформаторов от механических и других воздействий внешней среды служит наружная изоляция. В зависимости от способа защиты трансформаторы классифицируют на /8/:

• 
  герметизированные;
  
• 
  капсулированные;
  
• 
  открытые.
  

Герметизированная конструкция обеспечивает наилучшую влагозащиту и долговечность изоляции. В герметизированных трансформаторах катушку и магнитопровод заключают в механический кожух и заливают компаундом. Выводы проводят через металлостеклянные и металлокерамические спаи в виде глазков, впаянных в металлическую обойму. Металлокерамические спаи дешевле, технологичнее и надежнее металлостеклянных, обладают высокой механической и термической прочностью.

Капсулированные трансформаторы используют для уменьшения массы и габаритов. Капсулирование производят, заливая трансформатор в разъемной форме или обволакивая его тонким слоем термореактивного компаунда методом напыления или закрывая в пластмассовую коробку.

Все трансформаторы подвергают пропитке битумным или водоэмульсионным лаками с целью заполнить все поры, вытеснить из катушек воздух и тем самым повысить влагостойкость, а также теплопроводность катушек. Пропиточные материалы должны обладать электрической и механической прочностью, иметь малую вязкость и хорошую адгезию к обмоточным проводам и материалам, используемым в качестве изоляции, и не являться растворителями для них.

В открытых трансформаторах, работающих в комнатных условиях, ограничиваются только пропиткой.

При разработке высоковольтных трансформаторов напряжение на витке вторичной обмотки может быть больше пробивного напряжения изоляции используемого обмоточного провода. В тех случаях, когда нет возможности использовать провод с более электрически прочной изоляцией, для устранения пробоя необходима межвитковая изоляция.

В трансформаторах, содержащих многовитковые обмотки с относительно высоким рабочим напряжением для предотвращения западания витков верхних слоев в нижние, что приводит к уменьшению пробивного напряжения обмотки, между слоями прокладывают межслоевую изоляцию /9/. Межслоевая изоляция необходима и в том случае, когда напряжение между начальным витком одного слоя обмотки и конечным витком другого слоя обмотки больше напряжения изоляции используемого обмоточного провода и нет возможности взять провод с более электрически прочной изоляцией. Межслоевую изоляцию прокладывают при намотке либо через каждый слой, либо через несколько слоев.

Кроме того, обмотки должны быть тщательно изолированы друг от друга. Поэтому между первичной и вторичной обмотками прокладывается слой межобмоточной изоляции (электрокартон, лакоткань и т.д.). Межобмоточная изоляция выполняется также, как и межслоевая, но укладывается обычно в несколько слоев, число которых зависит от испытательного напряжения между обмотками.

К материалам, используемым в качестве межвитковой, межслоевой и межобмоточной изоляции, предъявляются следующие требования /8/:

• 
  электрическая и механическая прочность;
  
• 
  пластичность;
  
• 
  малая толщина;
  
• 
  хорошая впитывающая способность по отношению к пропитывающему материалу;
  

• 
  высокое сопротивление изоляции.
  

В соответствии с ГОСТ 8865-70 электроизоляционные материалы для трансформаторов по нагревостойкости подразделяются на семь классов, обозначаемых латинскими буквами:

Y - до 90  C (363 К) - волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка и натурального шелка, не пропитанные специальными электроизоляционными веществами;

А - до 105  C (378 К) - те же материалы, пропитанные специальными электроизоляционными веществами;

Е - до 120  C (393 К) - синтетические материалы, пленки, волокна;

В - до 130  C (403 К) - материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна с органическими связующими и пропитывающими составами;

F - до 155  C (428 К) - те же материалы с синтетическими связующими и пропитывающими составами;

Н - до 180  C (453 К) - те же материалы с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами;

С - свыше 180  C (453 К) - слюда, керамические материалы, фарфор, стекло, кварц, применяемые без связующих составов или с неорганическими и элементоорганическими составами.

4. Принцип работы трансформатора


Функционирование трансформатора основано на связи цепей через магнитный поток. Схема трансформатора приведена на рис. 5 приложения. Обмотка, принимающая энергию от источника е1, называется первичной. Эта обмотка связывается общим магнитным потоком Ф с одной или несколькими обмотками, которые отдают энергию нагрузке и называются вторичными. R - сопротивление нагрузки /8/.



Рис.5. Схема функционирования.
Подводимое от генератора переменное напряжение создает переменный ток i1 в первичной обмотке. Первичный ток i1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток, изменяющийся по величине и направлению в соответствии с изменением первичного тока. Магнитный поток пронизывает одновременно витки первичной и вторичной обмоток. В результате чего, как в первичной, так и во вторичной обмотках индуктируются электродвижущие силы (эдс) е1, е2. В первичной обмотке эдс е1 направлена противофазно напряжению источника энергии, а под действием эдс, индуктированной во вторичной обмотке, в цепи потребителя образуется вторичный ток i2. Следовательно, электрическая энергия передается от первичной обмотки во вторичную, несмотря на то, что обе обмотки изолированы, то есть энергия передается электромагнитным путем.

5. Потери в трансформаторах


Потери энергии в трансформаторе подразделяются на потери в магнитопроводе (потери в стали, магнитные потери) и потери в обмотках (потери в меди, электрические потери) /6/.

Потери в магнитопроводе складываются из потерь на вихревые токи, возникающие в толще материала сердечника, потерь на магнитное сопротивление, потерь на гистерезис при циклическом перемагничивании стали, потерь на магнитный скин-эффект, потерь на магнитострикцию и потерь на магнитное поле рассеяния.

Потери на вихревые токи возрастают пропорционально массе магнитопровода, квадрату частоты сети и толщине пластины (ленты) и уменьшаются с увеличением удельного электрического сопротивления материала магнитопровода. Для уменьшения потерь магнитопроводы выполняют наборными из тонких пластин или лент с электроизоляционным покрытием, а также прессованными из порошкообразных ферромагнитных материалов. Чем меньше толщина пластин (лент), тем меньше потери на вихревые токи.

Магнитопроводы трансформатора обладают определенным магнитным сопротивлением, поэтому при переменном магнитном потоке возникают потери. Магнитное сопротивление растет с увеличением частоты сети и массы магнитопровода. Потери на магнитное сопротивление тем меньше, чем выше качество материала магнитопровода.

Все магнитные материалы делятся на магнитомягкие и магнитожесткие. Магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса, магнитожесткие - широкую, то есть гистерезис зависит от свойств материала. Потери на гистерезис тем меньше, чем выше магнитные свойства материала магнитопровода.

При действии переменного магнитного поля в материале сердечника наблюдается магнитный скин-эффект, который приводит к потерям из-за уменьшения эффективной магнитной проницаемости и существенно зависит от частоты. Чем меньше частота, при которой работает трансформатор, тем меньше магнитный скин-эффект.

Магнитострикция - это изменение геометрических размеров магнитопровода в магнитном поле. Потери на магнитострикцию можно уменьшить выбором соответствующего материала магнитопровода.

Магнитный поток должен замыкаться внутри магнитопровода, не рассеиваясь в окружающее пространство, которое представляет большое магнитное сопротивление. Однако в реальных трансформаторах не весь магнитный поток, возбуждаемый первичной обмоткой, пронизывает витки вторичной обмотки, что приводит к потерям и уменьшению выходного напряжения.

Потери энергии в магнитопроводе приводят к увеличению тока, протекающего по первичной обмотке, на значение, необходимое для компенсации потерь.

Магнитопроводы для трансформаторов согласования и импульсных

должны изготавливаться из материалов с высокой магнитной проницаемостью, а для питания - с высокой индукцией насыщения.

При протекании токов по обмоткам трансформаторов наблюдаются также потери в обмотках. Они складываются из потерь на омические сопротивления обмоток и потерь на электрический скин-эффект.

Потери в магнитопроводе и обмотках в трансформаторах приводят к выделению больших мощностей, которые вызывают перегрев и обуславливают нестабильность параметров, надежность и срок службы трансформатора.

Таким образом, помимо основного полезного эффекта в трансформаторе имеет место ряд дополнительных, паразитных эффектов и процессов, которые существенно сказываются на характеристиках трансформатора.

6. Режимы работы трансформатора


Трансформатор может работать в трех режимах: режиме холостого хода, под нагрузкой и режиме короткого замыкания /6/.

6.1. Режим холостого хода.


Это такой режим, при котором вторичная обмотка отключена от нагрузки. Если первичную обмотку соединить с источником переменного напряжения U1, то по этой обмотке будет проходить переменный ток I0, называемый током холостого хода. Этот ток создает основной магнитный поток Ф0, который, замыкаясь по магнитопроводу, пронизывает одновременно первичную и вторичную обмотки и индуктирует в них эдс (рис. 6, приложение) /6/.

Если пренебречь потерями энергии в первичной обмотке и в магнитопроводе, а также считать, что весь магнитный поток замыкается только по магнитопроводу, то эдс Е1, индуктированная потоком Ф0 в первичной обмотке, будет противоположна по знаку приложенному к первичной обмотке напряжению U1.



Рис.6. Режим холостого хода.
Однако на практике нельзя пренебрегать магнитными потерями. В реальном трансформаторе ток холостого хода, кроме намагничивающей составляющей, создающей в сердечнике магнитный поток Ф0, содержит также активную составляющую этого тока, обусловленную потерями энергии в сердечнике. При прохождении тока по первичной обмотке создается не только основной магнитный поток Ф0, замыкающийся по магнитопроводу, но и магнитный поток рассеяния Фр1, замыкающийся в основном по воздуху.

Итак, в режиме холостого хода трансформатора полезная мощность, отдаваемая им, равна нулю, поэтому потребляемая из сети активная мощность в основном обусловлена наличием магнитных потерь.

6.2. Режим работы под нагрузкой


Если к первичной обмотке трансформатора подвести напряжение U1, а вторичную обмотку соединить с нагрузкой, то в первичной и вторичной обмотках потекут токи I1 и I2, а в магнитопроводе - магнитные потоки Ф1 и Ф2. Так как причиной появления потока Ф2 является ток I2, то потоки Ф1 и Ф2 направлены встречно (рис. 7, приложение). При увеличении тока нагрузки I2 поток Ф2 увеличивается, а суммарный магнитный поток в магнитопроводе Ф1-Ф2 уменьшается. Вследствие этого индуктированные суммарным магнитным потоком эдс Е1 и Е2 уменьшаются. Уменьшение Е1 вызывает увеличение тока первичной обмотки I1 и потока Ф1, а также суммарного потока Ф1-Ф2. Аналогично уменьшение Е2 уменьшает величину тока I2 и потока Ф2 и поэтому приводит также к увеличению суммарного потока.

Таким образом, уменьшение суммарного магнитного потока, вызванное увеличением тока I2 на первом этапе, взаимно компенсируются увеличением суммарного магнитного потока из-за уменьшения Е1 и Е2 на втором этапе, в результате чего суммарный поток остается практически неизменным при увеличении нагрузки /6/.

Совершенно очевидно, что и при постепенном уменьшении тока до нуля суммарный поток остается неизменным.

Отсюда следует, что суммарный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора является постоянным по величине и равен потоку при холостом ходе трансформатора.

В нагруженном трансформаторе, кроме основного магнитного потока, замыкающегося вдоль магнитопровода, и потока рассеяния Фр1 имеется и поток рассеяния Фр2, создаваемый вторичной обмоткой. Потоки рассеяния Фр1 и Фр2 обуславливают падения реактивного напряжения в первичной и вторичной обмотках соответственно.



Рис.6. Режим работы под нагрузкой.

6.3. Режим короткого замыкания


Различают аварийное короткое замыкание трансформатора и специально созданный, искусственный режим короткого замыкания /10/.

Аварийное короткое замыкание возникает в том случае, если сопротивление нагрузки, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора, становится равным нулю. При наличии на первичной обмотке номинального напряжения сети в обмотках трансформатора развиваются большие токи, вызывающие нагрев трансформатора и способные вывести его из строя.

Опытным путем производят искусственный режим короткого замыкания, при котором при замкнутой накоротко вторичной обмотке напряжение, подводимое к первичной обмотке, понижают до таких пределов, чтобы в обмотках трансформатора протекали номинальные токи. На практике опыт короткого замыкания используется для определения электрических потерь в обмотках.

Имеются трансформаторы, рабочий режим которых близок к режиму короткого замыкания. Примером таких трансформаторов служит сварочный трансформатор.

7. Электрические параметры трансформаторов

7.1. Электрические параметры трансформаторов питания


Основными параметрами для трансформаторов питания являются /11/:

1. номинальное напряжение первичной обмотки U1;

2. номинальный ток первичной обмотки трансформатора I1;

3. напряжение вторичной обмотки трансформатора U2;

4. ток вторичной обмотки трансформатора I2;

5. напряжение холостого хода трансформатора U0 – напряжение на разомкнутой вторичной обмотке при номинальных частоте и напряжении на первичной обмотке;

6. номинальная мощность трансформатора Рн - сумма мощностей вторичных обмоток;

7. коэффициент трансформации n - отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток при холостом ходе;

8. частота питающей сети;

9. коэффициент полезного действия.

7.2. Электрические параметры согласующих трансформаторов


На номинальную мощность Рн и коэффициент трансформации n низкочастотных согласующих трансформаторов установлены ряды значений /11/.

Номинальная мощность Рн выбирается из следующего ряда: 0.001; 0.002; 0.004; 0.008; 0.016; 0.032; 0.063; 0.125;0.25; 0.5; 1.0; 2.4; 6.3; 10; 16; 25 ВА.

Коэффициент трансформации n выбирается из следующего ряда: 0.012; 0.018; 0.025; 0.035; 0.05; 0.07; 0.1; 0.12; 0.14; 0.17; 0.2; 0.24; 0.28; 0.34; 0.4; 0.48; 0.56; 0.67; 0.8; 0.85; 1.0; 1.05; 1.25; 1.5; 1.8; 2.1; 2.5; 3.0; 3.5; 4.2; 5.0; 6.0; 7.0; 8.5; 10; 14; 20; 28.

Для низкочастотных согласующих трансформаторов указывается также ряд значений номинальных сопротивлений нагрузки, на которые рассчитаны трансформаторы. Этот ряд имеет следующие сопротивления нагрузки: 2.0; 2.2; 3.2; 4.0; 6.3; 8.0; 9.0; 10; 12.5; 16; 18; 25; 30; 36; 50; 70; 100; 140; 200; 280; 400; 560; 600; 800 Ом и 1.1; 1.6; 2.2; 3.2; 4.5; 6.3; 9.0; 12.5; 18; 25; 36; 50; 70; 100; 140; 200; 280; 400; 560 кОм.

Номинальное сопротивление нагрузки сочетается с коэффициентом трансформации. Чем больше коэффициент трансформации, тем на большую величину нагрузки рассчитан трансформатор.

На согласующие трансформаторы вводятся дополнительные параметры /11/:

1. полоса воспроизводимых частот;

2. входное и выходное сопротивления Rвх и Rвых;

3. индуктивность первичной обмотки L1;

4. сопротивления обмоток постоянному току;

5. коэффициент нелинейных искажений на граничных частотах полосы пропускания Кг.

7.3. Электрические параметры импульсных трансформаторов


Для импульсных трансформаторов основными параметрами являются

/11/:

1. длительность импульса tи;

2. амплитуда импульса на первичной обмотке U1;

3. частота следования импульсов F;

4. длительность фронта выходного импульса tф.

Кроме электрических параметров все рассмотренные трансформаторы характеризуются рядом эксплуатационных и других параметров. В частности, указываются габаритные размеры, масса, температура окружающей среды, требования к влагоустойчивости, линейные и ударные нагрузки, срок службы и другие /11/.

8. Обозначения трансформаторов


В системе обозначения трансформаторов различного назначения имеется только один общий элемент - это буква Т (трансформатор). Остальные элементы обозначения сугубо специфические /7/.

Система обозначения трансформаторов питания включает следующие элементы: первый - буква Т, второй - буква или две буквы - указывает назначение трансформатора (А - трансформатор питания анодных цепей, Н - накальных цепей, АН - анодно-накальных цепей, ПП - для питания устройств на полупроводниках, С - силовой для питания бытовой аппаратуры), последующие элементы указывают: третий - число - порядковый номер разработки, четвертый – число - номинальное напряжение питания, пятый - число - рабочую частоту, шестой - буква или сочетание букв - вид исполнения (буква В - всеклиматического исполнения, буквы ТС и ТВ - тропического исполнения с сухим и влажным воздухом соответственно, три буквы УХЛ - для районов с умеренным и холодным климатом) /7/.

Пример:

ТА5127/220-50-В - трансформатор для питания анодных цепей, номер 5, на напряжение 127 и 220В, частоты 50 Гц, всеклиматического исполнения.

Система обозначения входных согласующих трансформаторов включает следующие элементы: первый - буква Т, второй – сочетание букв (ВТ - входной на транзисторных устройствах), третий - число, указывающее порядковый номер разработки /7/.

Пример:

ТВТ-1 - входной согласующий трансформатор для согласования устройств на транзисторах, номер разработки 1.

Межкаскадные согласующие трансформаторы обозначаются следующим образом: первый элемент обозначения - буква Т, второй - буква М и число или только число. Буква М вводится для обозначения трансформаторов с мощностью до 10 мВА (миниатюрные). Число после буквы М у миниатюрных трансформаторов указывает мощность в мВА, число после буквы Т у других трансформаторов указывает мощность в ВА. Третий элемент обозначения межкаскадных согласующих трансформаторов - число, указывает порядковый номер разработки /7/.

Примеры:

ТМ10-50 - миниатюрный межкаскадный согласующий трансформатор мощностью 10 мВ 5. 0А, порядковый номер разработки 50;

Т2510 - межкаскадный согласующий трансформатор мощностью 25 ВА, порядковый номер разработки 10.

Система обозначения выходного согласующего трансформатора имеет: первый элемент - буква Т, второй - сочетание букв ОТ (оконечный для транзисторных устройств), третий - число - порядковый номер разработки /7/.

Пример:

ТОТ-1 - выходной согласующий трансформатор для транзисторных устройств, порядковый номер разработки 1.

Для импульсных трансформаторов в системе обозначения: первый элемент - буква Т, второй - буква И или ИМ. Буква И (импульсный) используется для обозначения трансформаторов на длительность импульсов от 0.5 мкс до 100 мкс, а буквы ИМ - на длительность импульсов от 0.02 мкс до 100 мкс. Третий элемент обозначения - число - порядковый номер разработки /7/.

Примеры:

ТИ-6 - трансформатор импульсный на длительность импульсов от 0.5 до 100 мкс, порядковый номер разработки 6;

ТИМ-5 - импульсный трансформатор на длительность импульсов от 0.02 до 100 мкс, порядковый номер разработки 5.

9. Отказы трансформаторов


В основном отказы трансформаторов обусловлены в эксплуатации процессами старения изоляции под действием высокой температуры и потерь. На надежность трансформаторов сильнее всего влияет тепловое старение.

Кроме того, опасно для трансформаторов воздействие влаги. В результате проникновения влаги в промежутки между витками и наличия обратимых и необратимых изменений в изоляционных материалах при наличии электрического поля ускоряются процессы разрушения изоляции, что приводит к выходу трансформатора из строя. Поэтому катушки подвергаются дополнительной обработке (пропитке).

Неверное использование трансформаторов также приводит к отказам. Обычно отказы из-за нарушения технологии изготовления и сборки обнаруживаются сразу, за исключением причин, увеличивающих потери.

Конструкция трансформаторов должна быть такой, чтобы они могли надежно работать в течение всего заданного срока службы. Это означает, что трансформаторы должны противостоять механическим и температурным воздействиям, сохранять работоспособность при повышенной влажности и во всех случаях климатических воздействий иметь достаточный запас электрической прочности изоляции обмоток.

Наиболее эффективными средствами повышения надежности трансформаторов являются снижение их перегрева или использование новых материалов, допускающих большие перегревы, и переход на новые конструкции, работающие на повышенных частотах /8/.

Список литературы.
1. Китаев В.Е. Трансформаторы. - М.: Высшая школа, 1967.

2. ГОСТ 20938-75. Трансформаторы малой мощности. Термины и определения.

3. ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения.

4. ГОСТ 23871-79. Трансформаторы электронномагнитные многофункциональные. Термины и определения.

5. ГОСТ 18685-73. Трансформаторы тока и напряжения. Термины и определения.

6. Белопольский И.И., Каретникова Е.И., Пикалова Л.Г. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. - М.: Энергия, 1973.

7. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ./ Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. - Мн.: Беларусь, 1994.

8. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. - М.: Радио и связь, 1989.

9. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / А.А. Бокуняев, Н.М. Борисов, Р.Г. Варламов и др.; Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1990.

10. Вересов Г.П. Электропитание бытовой РЭА. - М.: Радио и связь, 1983.

11. Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой РЭА: Справ. - М.: Радио и связь, 1994.