Высокочастотные трансформаторы принцип работы

Трансформатор — незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой — трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

Что такое трансформатор

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

  • уменьшаются потери в проводах;
  • требуются провода меньшего сечения.

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

Как работает трансформатор

При протекании через катушку постоянного тока параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

  • W1 и W2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках;
  • U1 и U2 — напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке — трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 — мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I, получим:

  • U1 * I1 = U2 * I2;
  • I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.
  • в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
  • с повышающими трансформаторами (Кт Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод — деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи — они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

  • рядом;
  • наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

  1. рассеивание магнитного поля;
  2. нагрев проводов и магнитопровода;
  3. гистерезис.

Потери на гистерезис — это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

  • холостого хода;
  • короткозамкнутый;
  • с нагрузкой.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

  • КПД устройства;
  • коэффициент трансформации;
  • потери в магнитопроводе (на языке профессионалов — потери в стали).

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

  1. естественное: для маломощных моделей;
  2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
  3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Читайте также:  Линейки для шитья лекальные

Автотрансформатор

  • Повышенный КПД. Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
  • Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую – с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями — почти короткое замыкание. У большинства токовых трансформаторов величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

  • понижает напряжение;
  • рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

  • выпрямляется посредством диодного моста;
  • в инверторе — управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами — снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях— в ванных и пр.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

  1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
  2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
  3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

  • маломощные: менее 100 ВА;
  • средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) – важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.

Различные модели импульсных трансформаторов

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:

  • стержневом; Конструкция стержневого импульсного трансформатора
  • броневом; Конструкция импульсного трансформатора в броневом исполнении
  • тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник); Конструктивные особенности бронестержневого импульсного трансформатора

На рисунках обозначены:

  • A – магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
  • В – катушка из изолирующего материала
  • С – провода, создающие индуктивную связь.

Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.

Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.

Принцип работы

Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Схема: подключение импульсного трансформатора

Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

Временная диаграмма иллюстрирующая работу импульсного трансформатора

Читайте также:  Домашняя антенна для цифрового телевизора

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е(t), временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала tu, после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-tu).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τp=L/Rн

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=Вmax – Вr

  • Вmax – уровень максимального значения индукции;
  • Вr –остаточный.

Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

График смещения

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U2, в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр iu).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до tu остается неизменным, его значение еt=Um. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

  • Ψ – параметр потокосцепления;
  • S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.

Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром tu , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на tu. В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:

  • L – перепад индукции;
  • µа – магнитная проницаемость сердечника;
  • W1 – число витков первичной обмотки;
  • S – площадь сечения сердечника;
  • l – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
  • Вr – величина остаточной индукции;
  • Вmax – уровень максимального значения индукции.
  • Hm – Напряженность магнитного поля (максимальная).

Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µа, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра Вr, отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ . Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.

Схема преобразователя

В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Рн.

Значение Рн отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Ргб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:

Необходимые для вычисления параметры:

  • Sc – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
  • S – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина UI определяется выражением:

UI=U/2-Uэ ( U – питающее преобразователь напряжение; Uэ– уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:

Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

Осталось рассчитать выходную обмотку ИТ, а именно, количество витков провода и его диаметр:

Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.

На данный момент могут существовать различные типы трансформаторного оборудования. Подобное оборудование может применяться в электронных и электротехнических схемах. Особенно часто это оборудование используется в хозяйственной деятельности. Наиболее популярным устройством трансформаторного типа считается импульсный трансформатор.

Это оборудование считается достаточно важным элементом и используется практически во всех современных блоках электропитания.

Импульсный трансформатор и его конструкция

Импульсные трансформаторы разделяют в зависимости от катушек и формы сердечника на следующие виды:

Вот пояснения к рисункам, которые вы могли увидеть выше:

  1. A – это магнитопроводный контур, который выполняется из марок трансформаторной стали. Обычно эту продукцию изготовляют по технологии холодного или горячего металлопроката.
  2. B – это катушка из специального изолирующего материала.
  3. C – провода для создания индуктивной связи.
Читайте также:  Точечная сварка из трансформатора тсш 170

Электротехническая сталь содержит в себе мало добавок кремния. Именно он в результате своего использования может стать причиной значительной потери мощности. В импульсном трансформаторе сердечник может производиться из рулонной стали. Если вам будет интересно, тогда можете прочесть про проверку трансформаторного тока.

Все пластины, которые будут использоваться для набора электромагнитного сердечника подбираются в зависимости от толщины. С увеличением параметров вам необходимо устанавливать пластины меньшей величины.

Принцип работы

Основной особенностью импульсного трансформатора считается то, что на них будут подаваться однополярные импульсы, которые будут иметь постоянную токовую составляющую. Если вы желаете изучить принципиальную схему импульсного трансформатора, тогда сделать это можно ниже:

Как видите, схема практически нечем не отличается от обычного трансформатора. Единственным отличием считается временная диаграмма.

Если вы изучите схему, тогда можно будет понять, что на обмотку поступают специальные импульсные сигналы. Временный интервал между этими сигналами считается достаточно коротким. Перепады индукции будут проходить со скоростью, которую можно выразить через формулу τp=L/Rн.

Коэффициент, который будет описывать разность между индуктивным перепадом можно определить следующим образом: ∆В=Вmax — Вr.

  • Вmax – это уровень максимального значения всех индукций.
  • Вr – это остаточные значения.

Если вы желаете детально изучить разность индукций, тогда выполнить этот процесс можно изучив фото ниже:

Как видите, на временной диаграмме вторичная катушка будет иметь напряжение U2. Именно так будет проявлять себя накопление энергии в магнитопроводе. Все импульсы тока будут проходить через катушку поскольку импульсы тока будут совмещаться. Уровень напряжения считается неизменным и его значение будет составлять еt=Um. Если вам необходимо вычислить напряжение во вторичной катушке, тогда рассчитать его можно по формуле:

  1. Ψ – это параметр потокосцепления.
  2. S – это величина, которая будет отображать сечение.

Если вы планируете вычислить площадь импульса во вторичной обмотке, тогда вам необходимо обе части формулы умножить на значение tu. В результате этого вы сможете получить формулу: Um x tu=S x W1 x ∆В.

Второй величиной по значимости считается работа ИТ. На перепад индукции будут влиять следующие параметры: сечение, магнитная проницаемость и сердечник магнитопровода. При необходимости вы можете прочесть про подключение трансформатора.

В этой формуле вы сможете найти следующие значения:

  • L – это перепад индукции.
  • µа – магнитная проницаемость.
  • W1 – это число витков в первичной обмотке.
  • S – площадь сердечника.
  • l – это длина сердечника.
  • Вr– это величина остаточной индукции.
  • Вmax – уровень максимального значения.
  • Hm – напряженность магнитного поля.

Как видите, параметр индуктивности будет зависеть от импульсного трансформатора. При расчете, вам необходимо исходить из максимального значения µа.

Исходя из этого в качестве сердечника, вы также можете использовать ленту, которая изготовлена из трансформаторной стали. Если вы выберите высокочастотный импульсный трансформатор, тогда помните, что сердечник должен изготовляться из ферритовых сплавов. Если вам необходимо, тогда у нас вы можете найти информацию про измерительные трансформаторы.

Расчет импульсного трансформатора

Теперь мы решили предоставить вам инструкцию, как необходимо выполнять расчет импульсного трансформатора. КПД устройства будет напрямую связано с точностью вычислений.

Сначала вам необходимо вычислить уровень мощности устройства. Для этого можно использовать формулу Р=1,3 х Рн. Теперь вам необходимо выполнить расчет габаритной мощности. Чтобы выполнить подобный расчет, вам необходимо воспользоваться следующей формулой:

Вот основные параметры, которые могут потребоваться для вычисления:

  • Sc – отображает площадь сечения тороидального трансформатора.
  • S – это площадь окна сердечника.

  • Вмакс – это максимальный пик индукции. Он зависит от марки ферромагнитного материала.
  • F – параметр, который будет характеризовать частоту.

На следующем этапе, вам необходимо определить количество витков в первичной обмотке Тр2:

Если результат будет неполным, тогда его необходимо округлить в большую сторону. Если вам необходимо определить величину U I, тогда сделать это можно по формуле: UI=U/2-Uэ.Теперь можно перейти к вычислению максимального тока, который будет проходить через первичную обмотку импульсного трансформатора.

Параметр η в этой формуле будет равняться 0.8. Это специальное КПД, с которым должен работать преобразователь. Если необходимо рассчитать диаметр используемого провода для обмотки, тогда следует использовать формулу:

Последним этапом, который необходимо выполнить считается то, что вам следует рассчитать выходную обмотку импульсного трансформатора. Выполнить этот процесс можно по формуле:

Если у вас возникают определенные вопросы, тогда вы можете перейти на тематические сайты. Также в интернете существуют разнообразные программы, которые позволят проводить расчеты с импульсным трансформатором.

Похожие статьи по теме

Поделитесь своим мнением Отменить ответ

Популярное на сайте

Опросы

Наш сайт Все-электричество предоставляет вашему вниманию подробную информацию об электрике. Публикация наших материалов может разрешаться только в том случае если вы укажите ссылку на источник с указанием нашего проекта. Перед использованием нашего проекта рекомендуем прочесть пользовательское соглашение. Вся информация на сайте Все-электричество предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.