Трансформаторы

                             1.Трансформатор: создание и принцип действия. 

   Одним из важнейших преимуществ переменного  тока перед постоянным является легкость и простота, с которой можно преобразовать переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Достигается это посредством простого и остроумного устройства – трансформатора, созданного в 1876 г. замечательным русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым.

   П.Н. Яблочков предложил способ “дробления света” для своих свечей при помощи трансформатора. В дальнейшем конструкцию трансформаторов  разрабатывал другой русский изобретатель И.Ф. Усагин, который предложил применять трансформаторы для питания не только свечей Яблочкова, но и других приемников.

   В дальнейшем несколько конструкций однофазных трансформаторов с замкнутым магнитопроводом были созданы венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и            К. Циперновским. Для развития трансформаторостроения и вообще электромашиностроения большое значение имели работы профессора А.Г. Столетов по исследованию магнитных свойств стали и расчету магнитных цепей.

   Важная  роль в развитии электротехники принадлежит  М.О. Доливо-Добровольскому. Он разработал основы теории многофазных и, в частности, трехфазных переменных токов и создал первые трехфазные электрические машины и трансформаторы. Трехфазный трансформатор современной формы с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости, был сконструирован им в 1891 г. С тех пор происходило дальнейшее конструктивное усовершенствования трансформаторов, уменьшалась их масса и габариты, повышалась экономичность. Основные положения теории трансформаторов были разработаны в трудах Е. Арнольда и М. Видмара.

   В развитии теории трансформаторов и совершенствовании  их конструкции большое значение имели работы советских ученых В.В. Корицкого, Л.М. Пиотровского, Г.Н. Петрова, А.В. Сапожникова, А.В. Трамбицкого и др.  

   Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток  из изолированного провода. Обмотка, к  которой присоединяется источник электрической  энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки  – вторичными.  

   Если  во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное  поле, созданное в сердечнике первичной  обмоткой, пересекая витки вторичной  обмотки, создаст в ней в три  раза больше напряжение.

   Применив  трансформатор с обратным соотношением витков, можно так же легко и  просто получить пониженное напряжение.

   С допустимой для практики точностью можно  считать, что отношение числа  витков первичной обмотки к вторичной  равно отношению приложенного напряжения к выходному.

     Это отношение, называемое коэффициентом трансформации, обычно сокращают на меньшее из чисел, и тогда коэффициент трансформации получают в виде отношения единицы к некоторому числу (1:4; 1:50) или, наоборот, некоторого числа к единице (4:1; 50:1).

   В радиоаппаратуре  трансформаторы используются в первую очередь в питающих устройствах, позволяющих питать приемники от осветительной сети переменного  тока. Такие трансформаторы называются силовыми.  Кроме того, трансформаторы используются для понижения и повышения напряжения различной частоты в усилителях и радиоприемниках. Для низких (звуковых) частот эти трансформаторы изготовляются с сердечниками из листовой стали. Для токов сравнительно высокой частоты трансформаторы, как и катушки индуктивности, делаются или совсем без стальных сердечников или с сердечниками из магнетита, альсифера, карбонильного железа и других специальных металлов.

   Иногда  для экономии провода и стали  применяют трансформаторы, в которых  одна обмотка является частью другой, то есть гальванической развязки между входной и выходной цепью нет. Такие трансформаторы, называют автотрансформаторами, они могут повышать напряжение, для чего обмотка, включаемая в сеть, должна составлять часть обмотки, дающей выходное напряжение, и понижать его, для чего обмотка, с которой снимается напряжение, должна составлять часть сетевой обмотки.

   Применение  автотрансформаторов в радиоприемниках  связано с некоторыми неудобствами, поэтому в любительских и улучшенных промышленных радиоприёмниках автотрансформаторы широкого распространения не получили.  В основном они нашли применение в дешевых массовых промышленных приемниках, а также в качестве устройств для поддержания необходимого напряжения при питании радиоприемников от осветительной сети, напряжение которой подвержено колебаниям. 

2. Области применения трансформаторов.

      Трансформаторы  широко используются для следующих  целей:

1. Для передачи и распределения электрической энергии.

      В настоящие время для высоковольтных линий электропередач применяются  силовые трансформаторы с  масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200 – 1600 МВ*А.

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя.

      Трансформаторы, применяются для этой цели, называются преобразовательными. Их мощность достигает тысячи киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они работают при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без регулирования.

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питание электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжение до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.
4. Для включение электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности.

      Трансформаторы, применяемые  для этой цели, называются измерительными. Они имеют сравнительно большую мощность, определяемую мощность, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

5. Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т.п.

  Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольт-ампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.    

      Как правило, трансформаторы питания изготавливаются  комбинированными, т.е. позволяющими снимать  несколько напряжений; при этом первичная  обмотка (сетевая) может быть выполнена  в виде одной обмотки с двумя  отводами или двух одинаковых обмоток  с одним отводом в каждом из них. Во втором варианте первичная обмотка  на различные напряжения (110, 127 или 220 В) переключается специальным сетевым  переключателем.

      Повышающая  обмотка трансформатора питания  выполняется со средним выводом  при использовании двухполупериодного выпрямителя на двух диодах и без среднего вывода для мостовой схемы выпрямителя. 

3. Общее устройство  и назначение трансформаторов  для бытовой радиоэлектронной  аппаратуры.

      Общее устройство трансформатора видно из представленного рисунка – это  магнитопровод, набранный из отдельных пластин; обмотки, выполненные проводом; каркас из изоляционного материала, на котором намотаны обмотки.

      Трансформатор, входящий в состав выпрямителя и  предназначенный для питания  лампового радиоприёмника, имеет  следующие обмотки:

• первичную, включаемую в сеть;
• вторичную повышающую, дающую выпрямляемое напряжение;
• вторичную понижающую, дающую напряжение для накала кенотрона;
• вторичную понижающую, дающую напряжение для накала усилительных ламп радиоприёмника.

      Иногда  между первичной и вторичной  обмотками помещается ещё экранная обмотка, предназначенная для защиты приемника от проникновения в него из сети всевозможных помех. Один конец этой обмотки заземляется, а другой изолирован и никуда не включается.

      Первичная обмотка  делается из нескольких секций, позволяющих включать трансформатор в сеть с различным напряжением.

      Напряжение  сети нередко колеблется под влиянием изменения нагрузки. Днем оно бывает нормальным, например 220 В, а вечером падает до 180-190 В, ночью и ранним утром повышается до 230-240 В. В таких случаях первичную обмотку иногда разбивают на ещё более мелкие секции (делают отводы, рассчитанные на напряжение 90, 100, 110, 120, 130, 180, 200, 220 и 240 В).  Такая секционированная первичная обмотка позволяет подключать к сети количество витков, соответствующее фактическому напряжению, и таким образом обеспечивает нормальные напряжения для работы приемника. 

      Если  от сети с колеблющимся напряжением  питается радиоприемник или какое-либо другое радиоустройство, трансформатор  которого не имеет подобных мелкосекционированных обмоток, приходится прибегать к помощи автотрансформатора. Последний специально изготовляется с большим числом отводов, переключая которые можно регулировать напряжение, подводимое к приемнику.

   Вторичная повышающая обмотка силового трансформатора при однополупериодном выпрямлении состоит из одной секции без всяких отводов, а при двухполупериодном выпрямлении она рассчитывается на вдвое большее напряжение и имеет отвод от средней точки.

      На  качество изготовления вторичной обмотки  должно быть обращено особое внимание, так как в ней получаются высокие  напряжения. Для получения хорошего сглаженного тока при двухполупериодном выпрямлении обе половины повышающей обмотки должны быть совершено одинаковы. Поэтому их лучше наматывать не одну поверх другой, а располагать в соседних секциях каркаса.

      Накальные обмотки трансформаторов наматываются из относительно толстого провода (1-2 мм).  Обмотка накала кенотрона в схеме выпрямителя соединена с плюсом высокого напряжения, поэтому она должна быть особенно тщательно изолирована от сердечника трансформатора, других его обмоток и экрана.

      Все обмотки трансформатора для лучшего  использования его объема и для  предохранения от пробоя изоляции проводов следует наматывать аккуратно, виток  к витку. Слои обмоток нужно отделить один от другого тонкой пропарафинированной бумагой, а между обмотками прокладывать слой изолировочной ленты, тонкого электрокартона или два-три слоя лакоткани (специально изоляционной ткани, пропитанной лаком).

      Чтобы крайние витки сползали в щель между щечкой каркаса и краем  обмотки и верхние витки не касались нижних, находящихся под  большим напряжением один относительно другого, прокладки следует делать на 6-8 мм шире длины каркаса, а края этой прокладки надрезаны и загнуты.

      Каркас для намотки трансформатора обычно изготовляется из специального электрокартона или обычного плотного картона. Размеры каркаса определяются размерами стального сердечника трансформатора.

      Сердечник  трансформатора для уменьшения в нем вихревых токов изготовляется из тонких листов (0,35-0,5 мм)  специальное трансформаторной стали. Каждая пластина трансформатора с одной стороны оклеивается тонкой папиросной бумагой или покрывается слоем изолирующего лака. Используемые в настоящее время трансформаторные пластины чаще всего имеют Ш-образную форму. Применяются также пластины Г-образной формы. 

           После намотки трансформатора  каркас должен быть возможно плотнее заполнен трансформаторной сталью. Набивать силовой трансформатор надо вперекрышку: на то место, где был стык пластин, следующие пластины класть сплошной частью. Все пластины кладутся изолированной поверхностью  в одну сторону.

      Пластины  трансформатора должны быть туго стянуты  болтами, проходящими через специальные  отверстия. Если пластины не имеют отверстий, они стягиваются при помощи стальных обжимок или деревянных брусочков.