Одним из важных звеньев любой энергетической системы являются трансформаторы. Трансформаторы нашли исключительно широкое применение в различных отраслях электротехники. Они являются необходимой составной частью подавляющего большинства систем передачи электроэнергии, блоков и узлов вторичного электропитания специальных радиотехнических систем. В частности, они входят в состав выпрямительных устройств, преобразователей, стабилизаторов и регуляторов переменных напряжений, систем электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Устройство простейшего однофазного трансформатора уже было рассмотрено в разделе Назначение, классификация и основные параметры преобразователей. Добавим лишь, что для улучшения магнитной связи, а также для придания определенной конфигурации магнитному потоку обмотки трансформатора размещаются на магнитопроводе (сердечнике). Обмотки транс-форматора, как правило, имеют различное число витков. Обмотка с большим числом витков называется обмоткой высшего напряжения, а обмотка с меньшим числом витков – обмоткой низшего напряжения.
Обмотка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной (W1), а обмотки, к которым подключается нагрузка, называются вторичными (W2), что показано на рисунке 1 в том же разделе, где рассматривались общие сведения о преобразователях.
Трансформаторы классифицируются по следующим признакам.
1. По назначению трансформаторы делят на следующие: трансформаторы питания; согласующие и сигнальные трансформаторы.
Трансформаторы питания подразделяются на сетевые и специальные.
Сетевые унифицированные трансформаторы – это трансформаторы, предназначенные для преобразования напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания электронной аппаратуры. Как правило, это трансформаторы малой мощности, наименьшего веса, удовлетворяющие жёстким климатическим условиям и механическим требованиям соответствующих стандартов.
Для питания ламповых схем используют унифицированные трансформаторы следующих типов:
- ТА – трансформатор анодный;
- ТН – трансформатор накальный;
- ТАН – трансформатор анодно-накальный.
Для питания схем на полупроводниковых приборах используют трансформаторы:
- ТПП – трансформатор питания полупроводников;
- ТВ и ТП – для питания высоковольтных и высокопотенциальных цепей.
Унифицированные сетевые трансформаторы рассчитаны на напряжение 127 и 220 В для частоты 50 Гц.
Величина вторичного напряжения трансформаторов:
- ТА – 28; 40; 56; 80; 112; 125; 140; 160; 180; 200; 225; 250; 315; 355 В;
- ТПП – 1,25; 2,5; 5; 10; 20 В.
Трансформаторы ТН имеют две или четыре накальные обмотки на 6,3 В с отводами на 5 В. Трансформаторы ТАН имеют три или четыре анодные обмотки и две накальные.
При записи в конструкторской документации указываются: тип и номер унифицированного трансформатора, первичное напряжение, частота, номер технических условий. Для конструкции с покрытием напылением вводится буква Н. Пример записи в конструкторской документации:
ТА-115-400 Н.01– 00471 000 ТУ.
Специальные трансформаторы предназначены для преобразования питающих напряжений, отличных от сетевых. Например, напряжения 40, 115, 220 В для частоты 400 Гц, которые часто используются в специальных радиотехнических системах.
Согласующие и сигнальные трансформаторы подразделяются на согласующие, импульсные и широкополосные.
Согласующие трансформаторы применяются для передачи электрических сигналов и согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением выходного каскада и для согласования межкаскадных связей.
Примеры маркировки трансформаторов:
- ТВТ10: ТВТ – трансформатор входной; 10 – номер разработки.
- ТОТ7: ТОТ – трансформатор оконечный (выходной); 7 – номер разработки.
- ТВС110: ТВС – трансформатор выходной строчный; 110 – номер разработки.
Особенностью импульсных трансформаторов является то, что колебания, передаваемые ими от источника в нагрузку, являются однополярными импульсами, длительность которых составляет 0,02…100 мкс. В результате магнитопровод такого трансформатора работает с постоянным подмагничиванием. Поэтому рабочая точка перемещается не по симметричной петле гистерезиса, а по частной. От импульса к импульсу рабочая точка поднимается вверх, и установившемуся режиму соответствует частная предельная петля гистерезиса.
В качестве магнитопроводов в импульсных трансформаторах используют тонкие ленты трансформаторных сталей и пермаллоев (витые магнитопроводы), а также ферриты с непрямоугольной петлей гистерезиса (т.е. материалы с малой остаточной индукцией и с высоким значением индукции насыщения). Кроме того, в импульсных трансформаторах применяют подмагничивание постоянным током, полярность которого противоположна полярности импульсов.
Пример маркировки: ТИ5: ТИ – трансформатор импульсный; 5 – номер разработки.
Паразитные параметры трансформаторов обычной конструкции (индуктивность рассеяния, межвитковая ёмкость) не позволяют получить значения верхней граничной частоты выше единиц мегагерц. Поэтому в линиях передачи при полосах пропускания несколько десятков или сотен мегагерц необходимо переходить на другие варианты конструктивного исполнения трансформаторов – широкополосные трансформаторы.
Одним из таких вариантов является трансформатор типа «длинной линии». Такой трансформатор выполняется на тороидальном магнитопроводе из высокочастотного феррита. На этот магнитопровод намотаны одна или несколько линий передачи, каждая из которых выполнена в виде двух туго свитых проводов.
Трансформаторы типа ТДЛ используют и для сложения в одной нагрузке мощностей нескольких генераторов радиочастоты. Для этого применяют как трансформаторные схемы, так и схемы мостового типа. Последние имеют развязку между входами, что позволяет каждому из генераторов работать независимо.
2. По числу фаз трансформаторы классифицируют на однофазные, трехфазные и многофазные трансформаторы.
3. По конструкции магнитопровода трансформаторы бывают броневые, стержневые, трехфазные или тороидальные (на рисунке 1 и 2 слева-направо). При этом по способу изготовления магнитопроводы трансформаторов и дросселей, для уменьшения потерь на вихревые токи, могут набираться из штампованных пластин (пластинчатые магнитопроводы), навиваться из полос элекпротехнической стали (ленточные магнитопроводы), а также изготавливаться из магнитомягких ферритов (магнитопроводы из ферритов).
Рисунок 1 – Пластинчатые магнитопроводы: броневые, стержневые, тороидальные
Рисунок 2 – Ленточные магнитопроводы: броневые, стержневые, трёхфазные, тороидальные
4. По способу электрического включения обмоток однофазные трансформаторы подразделяются на следующие виды (рисунок 3):
- однофазные двухобмоточные (простейший трансформатор);
- однофазные многообмоточные;
- трансформаторы с общей точкой;
- автотрансформаторы.
Рисунок 3 – Схемы однофазных трансформаторов: однофазный двухобмоточный(а), однофазный многообмоточный (б), трансформатор с общей точкой (в), автотрансформатор понижающий (г); автотрансформатор повышающий (д)
5. По напряжению трансформаторы классифицируют на следующие:
- низковольтные (U < 1000 В);
- высоковольтные (U > 1000 В).
6. По мощности трансформаторы классифицируют следующим образом:
- малой мощности (Р<10 кВА);
- средней мощности (Р = 10-100 кВА);
- большой мощности (Р = 1–10000 кВА);
- сверхмощные (Р>100 000 кВА).
7. По частоте трансформаторы делят на:
- нормальной частоты (f=6-100 Гц);
- повышенной частоты (f=100–1000 Гц);
- средней частоты (f=1-100 кГц);
- высокочастотные (f>100 кГц).
На каждом трансформаторе помещается паспортная таблица с указанием его основных параметров:
- полная мощность в вольт-амперах (ВА) или киловольт-амперах (кВА);
- номинальная (рабочая) мощность (ВА, кВА);
- напряжение первичной и вторичной обмоток (В, кВ);
- линейные токи в обмотках при номинальной мощности (А);
- частота питающего напряжения (Гц или кГц);
- число фаз (для трехфазного трансформатора указывается способ соединения обмоток).
Важными параметрами трансформатора является его КПД, представляющий собой отношение мощности преобразованного тока к мощности, отдаваемой источником преобразуемого тока:
где: Pпл – полезная мощность; Pпт – потребляемая мощность; Pоб – потери в обмотках; Pст – потери в магнитопроводе.
Потери в обмотках трансформатора можно определить, используя выражение
где: β – коэффициент нагрузки трансформатора; Iн – номинальный ток нагрузки; rоб – активное сопротивление обмотки.
Из приведённых формул мы видим, что КПД трансформатора зависит от величины нагрузки через изменение тока нагрузки.
Если трансформатор постоянно работает на номинальную нагрузку, то стремятся получить наибольший КПД при номинальном выходном токе, т. е. при βмах=1, что является обычным для трансформаторов малой мощности.
Если же трансформатор работает в режиме частых и значительных недогрузок (например, силовые трансформаторы), то целесообразно получить наибольший КПД при нагрузках меньше номинальных, т.е. при βмах<1.
Трансформаторы конструируются так, чтобы максимальное значение КПД достигалось при наиболее вероятной нагрузке, т.е. равной примерно 50-75 % от номинальной нагрузки.
Номинальное значение КПД близко к максимальному значению (ηном≈ηmax) и достигает в мощных трансформаторах 98–99 %.
В трансформаторах малой мощности КПД может снижаться до 50-70 %.