Общие понятия о трансформаторах

Согласующие трансформаторы. Из законов преобразования напряжения и тока для первичной  и вторичной обмотки (I1=I2w2/w1,U1=U2w1/w2) видно, что со стороны цепи первичной  обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в (w1/w2)²  раз больше. Поэтому согласующие  трансформаторы применяются для  подключения низкоомной нагрузки к  каскадам электронных устройств, имеющим  высокое входное или выходное сопротивление. Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в  то время как динамики имеют очень  низкое сопротивление. Согласующие  трансформаторы также исключительно  полезны в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии  и нагрузки привело бы к отражению  сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.

Фазоинвертирующие и согласующие трансформаторы в  выходном каскаде усилителя звуковой частоты с транзисторами одного типа проводимости. Транзистор в такой  схеме усиливает только половину периода выходного сигнала. Чтобы  усилить оба полупериода, нужно  подать сигнал на два транзистора  в противофазе. Это и обеспечивает трансформатор T1. Трансформатор T2 суммирует  выходные импульсы VT1 и VT2 в противофазе  и согласует выходной каскад с  низкоомным динамиком

Фазоинвертирующие трансформаторы. Трансформатор передаёт только переменную компоненту сигнала, поэтому даже если все постоянные напряжения в цепи имеют один знак относительно общего провода, сигнал на выходе вторичной обмотки трансформатора будет содержать как положительную, так и отрицательную полуволны, причём, если центр вторичной обмотки  трансформатора подключить к общему проводу, то напряжение на двух крайних  выводах этой обмотки будет иметь  противоположную фазу. До появления  широко доступных транзисторов с npn типом проводимости фазоинвертирующие  трансформаторы применялись в двухтактных  выходных каскадах усилителей, для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада. К тому же, из-за отсутствия «ламп с противоположным зарядом электрона», фазоинвертирующий трансформатор необходим в ламповых усилителях с двухтактным выходным каскадом. 

Уравнения линейного трансформатора. 

Пусть i1, i2 — мгновенные значения тока в  первичной и вторичной обмотке  соответственно, u1 — мгновенное напряжение на первичной обмотке, RH — сопротивление  нагрузки. Тогда

Здесь L1, R1— индуктивность и активное сопротивление первичной обмотки, L2, R2— то же самое для вторичной  обмотки, L12— взаимная индуктивность  обмоток. Если магнитный поток первичной  обмотки полностью пронизывает  вторичную, то есть если отсутствует  поле рассеяния, то . Индуктивности  обмоток в первом приближении  пропорциональны квадрату количества витков в них.

Мы получили систему линейных дифференциальных уравнений для токов в обмотках. Можно преобразовать эти дифференциальные уравнения в обычные алгебраические, если воспользоваться методом комплексных  амплитуд.

Для этого  рассмотрим отклик системы на синусоидальный сигнал u1=U1 e-jω t (ω=2π f, где f — частота  сигнала, j — мнимая единица). Тогда i1=I1 e-jω t и т. д., сокращая экспоненциальные множители получим 

U1=-jωL1 I1 -jωL12 I2+I1 R1 

-jωL2 I2 -jω L12 I1+I2 R2 =I2 Zн 

Метод комплексных амплитуд позволяет  исследовать не только чисто активную, но и произвольную нагрузку, при  этом достаточно заменить сопротивление  нагрузки Rн её импедансом Zн. Из полученных линейных уравнений можно легко выразить ток через нагрузку, воспользовавшись законом Ома— напряжение на нагрузке, и т. п. 

Потери  в трансформаторах 

Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи. Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное значительно  больше, чем в трансформаторе, где  оно составлено из многих секций (так  как в этом случае уменьшается  количество вихревых токов). На практике монолитные сердечники не применяются. Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора, также, магнитопровод  изготаливается из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением  кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для  изоляции друг от друга. Кроме того потери в трансформаторе добавляются  за счёт нагрева проводов. Это учитывается  в схеме замещения реального  трансформатора при помощи активного  сопротивления. 

Режимы  работы трансформатора 

1. Режим  холостого хода. Данный режим  характеризуется разомкнутой вторичной  цепью трансформатора, вследствие  чего ток в ней не течёт.  С помощью опыта холостого  хода можно определить КПД  трансформатора, коэффициент трансформации,  а также потери в стали. 

2. Нагрузочный  режим. Этот режим характеризуется  замкнутой на нагрузке вторичной  цепи трансформатора. Данный режим  является основным рабочим для  трансформатора. 

3. Режим  короткого замыкания. Этот режим  получается в результате замыкания  вторичной цепи накоротко. С  его помощью можно определить  потери полезной мощности на  нагрев проводов в цепи трансформатора. 

Габаритная  мощность 

Габаритная  мощность трансформатора описывается  следующей формулой: 

Pгаб=(P1 + P2)/2=(U1I1 + U2I2)/2

1 —  первичной обмотки

2 —  вторичной обмотки 

Однако, это конечный результат. Или академическое  определение. Изначально габаритная мощность, как следует из названия, определяется габаритами сердечника и материалом, его магнитными и частотными свойствами. 

КПД трансформатора

КПД трансформатора находится по следующей формуле:

где

P0 –  потери холостого хода (кВт) при  номинальном напряжении

PL –  нагрузочные потери (кВт) при номинальном  токе

P2 –  активная мощность (кВт), подаваемая  на нагрузку

n –  относительная степень нагружения  при номинальном токе n=1. 

P2 рассчитывается  по следующей формуле: 

Эксплуатация.Срок службы 

Срок  службы трансформатора может быть разделен на две категории:

Экономический срок службы — экономический срок службы заканчивается, когда капитализированная стоимость непрерывной работы существующего  трансформатора превысит капитализированную стоимость нового капиталовложения. На практике это обычно означает что  стоимость общих потерь старого  трансформатора становится слишком  высокой. Увеличивается доля косвенных  рисков и убытков, связанных со временем простоя электрооборудования.

Технический срок службы

Работа  в параллельном режиме 

При параллельном подключении двух и более трансформаторов  требуется следующее[13]:

параллельно могут работать только трансформаторы, имеющие одинаковую угловую погрешность  между первичным и вторичным  напряжениями;

полюса  с одинаковой полярностью на сторонах высокого и низкого напряжения должны быть соединены параллельно;

трансформаторы  должны иметь примерно тот же самый  коэффициент передачи по напряжению;напряжение полного сопротивления короткого замыкания должно быть одинаковым, в пределах ±10%;отношение мощностей трансформаторов не должно отклоняться более чем 1:3;переключатели числа витков должны стоять в положениях, дающих коэффициент передачи по напряжению как можно ближе. Отклонение от вышеприведенных требований возможны при условии, что имеются в наличии соответствующие знания. 
 
 

     Список  литературы.

     1. Справочник по электроснабжению  и электрооборудованию: в 2т./Под  общ. ред. А. А. Федорова. Т.2. Электрооборудование. – М: Энергоатомиздат, 1987.- 592 с.

     2.Ресурсы сайта www.diarost.ru. ЗАО «Диарост». Прейскурант цен на трансформаторы.