Что такое трансформаторы и их классификация?

Трансформатор — это электромагнитное устройство переменного тока с двумя или более индуктивно связанными обмотками.

Трансформатор предназначен для трансформации переменных токов и напряжений.

Классификация. Трансформаторы, как и другие элементы электронной техники, классифицируют по нескольким признакам: по назначению, по частоте, за мощностью, по напряжению, по соотношению входного и выходного напряжения, за магнитопроводом, по способу защиты. По назначению трансформаторы разделяют на три группы: согласование, импульсные и питания (силовые). Трансформаторы согласования предназначены для согласования электрических цепей по сопротивлению и уровнями сигналов. В зависимости от места их установки в аппаратуре различают входные трансформаторы согласования, которые используют для согласования источников сигналов с входами усилителей, выходные трансформаторы, применяемые для согласования выхода усилителя с нагрузкой, и
межкаскадные, которые предназначены для межкаскадной связи. Основное назначение импульсных трансформаторов заключается в том, чтобы трансформировать (изменять уровни) импульсные сигналы.
Трансформаторы питания предназначены для преобразования токов и напряжений в сетях энергосистем и потребителей электроэнергии, в частности в цепях питания различных электронных приборов и аппаратов (зарядных устройств, электропаяльников, радиоприемников, телевизоров, магнитофонов, компьютеров и т.д.). Трансформаторы питания разделяют также по напряжению. Различают
низковольтные и высоковольтные трансформаторы. Аналогично разделяют трансформаторы питания по мощности. Различают маломощные и мощные трансформаторы. Классифицируют трансформаторы питания также по частоте напряжения питания. Различают сетевые трансформаторы питания, работающие на стандартных сетевых частотах, равных 50, 400 … 1000 и 50000 Гц, и преобразовательные трансформаторы, используемые в преобразователях постоянного напряжения в переменную и работают на любых частотах. Классифицируют трансформаторы питания и по соотношению входящего и
исходного напряжения. Существуют повышающие трансформаторы, в которых Безымянныйи понижающие, в которых Безымянный. Трансформаторы питания разделяют за количеством фаз напряжения питания на однофазные и трехфазные. Классифицируют трансформаторы также по степени защиты от внешних условий. Различают незащищенные трансформаторы и защищенные обволакиванием или корпусом.

Условные изображения и обозначения. Условные изображения трансформаторов приведены на рис. 1.Условные изображения трансформаторов: а, б - трансформаторы с магнитодиэлектрическим и ферромагнитным сердечником; в - триобмоточные; г - без сердечника; д - из переменной связью между обмотками; е - из ферритовым подстраиваемым сердечником; ж - автотрансформаторы с сердечником

Рис. 1. Условные изображения трансформаторов: а, б — трансформаторы с магнитодиэлектрическим и ферромагнитным сердечником; в — триобмоточные; г — без сердечника; д — из переменной связью между обмотками; е — из ферритовым подстраиваемым сердечником; ж — автотрансформаторы с сердечником

Условные обозначения трансформаторов означают тип, номер с унифицированного ряда, напряжение, частоту. Например, ТА5-115-400 означает трансформатор анодный, номер 5 из унифицированного ряда, напряжение 115 В, частота 400 Гц.

Строение. Основными элементами конструкции трансформатора являются: сердечники (магнитопровода), каркас или гильза, обмотки, межслойная и межобмоточная изоляции, внешние выводы, элементы защиты от внешних условий, элементы крепления в аппаратуре, элементы подстройки. Сердечник является основой трансформатора. Он может иметь броневую, стержневую или тороидальную конструкцию (рис. 2, а-е). Броневые сердечники имеют разветвленный магнитный круг, стержневой и тороидальный — неразветвленной круг. С развитием микроэлектроники появились новые конструкции сердечников, в частности кабельные, катушечные, кольцевые (рис. 2, ж-е). Броневые, стержневые и тороидальные сердечники могут быть пластинчатыми или ленточными (рис. 2, а-е), реже сплошными.Основные типы сердечников: а, г - броневые; б, д - стержневые; в, е - тороидальные; ж - кабельные; з - катушечные; и - кольцевые; а-в - пластинчатые; г-е - ленточные

Рис. 2. Основные типы сердечников: а, г — броневые; б, д — стержневые; в, е — тороидальные; ж — кабельные; з — катушечные; и — кольцевые; а-в — пластинчатые; г-е — ленточные

Пластинчатые сердечники является технологичными, потому что пластины изготавливают высокопроизводительным методом штамповки. Но на участках, где магнитные силовые линии не совпадают с направлением проката, их магнитные свойства ухудшаются, что требует на 15 … 30% увеличивать массу сердечника. Ленточные сердечники менее технологичные, но имеют лучшие магнитные свойства, так как в них магнитные силовые линии всегда совпадают с направлением проката. Основными требованиями к магнитному материалу сердечника является высокая индукция насыщения, что определяется относительной магнитной проницаемостью материала, и малые потери энергии, которые зависят от его удельного сопротивления. С повышением частоты магнитная проницаемость уменьшается, а потери энергии растут. Причиной этого является магнитный скин-эффект, который заключается в вытеснении магнитных силовых линий к поверхности магнитопровода. Чтобы это предотвратить, сердечник изготавливают из пластин или лент, толщину которых определяют по выражениюБезымянный

где d — толщина, мм; р — удельное сопротивление, мкОм м; f — частота, Гц. Для маломощных трансформаторов, работающих на низких частотах (50-400 Гц), потери играют второстепенную роль. Главное для них — высокая индукция насыщения. В таком случае пластинчатые сердечники можно изготавливать из любой электротехнической стали горячей прокатки, а ленточные — из электротехнической текстурированной стали холодной прокатки толщиной ≈0,6 мм. Для более мощных трансформаторов необходимые массивные сердечники. С увеличением размеров сердечника их объем растет быстрее, чем поверхность, поэтому здесь важнее иметь малые удельные потери энергии. Для сердечников этих трансформаторов как магнитный материал можно рекомендовать электротехнические стали с меньшими потерями энергии и меньшей толщиной листов (≈ 0,35 … 0,5 мм). Для сердечников трансформаторов, которые работают на частотах ≈400 … 1000 Гц, необходимые электротехнические стали еще с меньшими удельными потерями энергии и меньшей толщиной листов (≈ 0,08 мм). На более высоких частотах удельные потери в стали становятся основным фактором, что определяет массу сердечников. Материалами для них могут быть пермаллоя с толщиной ленты 0,01-0,02 мм. На частотах выше 50 кГц сердечники изготавливают методом прессования низкочастотных магнитомягких ферритов.
Для намотки трансформаторов применяют медные эмалированные провода, медную ленту или фольгу. Если использовано ленточные провода, увеличивается коэффициент заполнения, не возникает полостей между обмотками, улучшается теплоотвод, растет долговечность трансформатора и его способность выдерживать перегрузки. Основными критериями выбора проводов является достаточная термостойкость их изоляции, ее медленное тепловое старение, высокая способность к утечке жидкими диэлектриками. Пригодным материалом для межобмоточной и межслойной изоляции для
работы при температурах Т < 130 °С является кабельная бумага. Для работы по Т> 130 °С рекомендуется стеклослюдинит. Межобмоточная изоляция отличается от межслойной только количеством слоев намотки. Выводы обмоток, если диаметр провода не слишком мал, выполняют тем самым проводом, что и обмотку. В противном случае их изготавливают как отдельные детали в виде отрезков гибкого многожильного изолированного медного провода, который закрепляют на каркасе и припаивают до конца (начала) провода обмотки. Намотка проводов может быть изготовлена на каркасе, гильзе или непосредственно на сердечнике. Поскольку трансформаторы работают на низких частотах, то каркасы не очень влияют на потери энергии. Поэтому специальных требований за величиной потерь в них обычно не ставят. Зато трансформаторы питания работают в жестком тепловом режиме, поэтому от материала каркаса требуется высокая термостойкость. Конструкция и материал каркаса зависят также от назначения трансформатора. Каркасы трансформаторов широкого потребления изготавливают из электро-картона. Их внешний вид приведен на рис. 3, в.Внешний вид и строение некоторых каркасов: а - пластмассовый; б - изготовлен из штампованных деталей; в - склеенный из электрокартона; г - бескаркасная намотка катушки

Рис. 3. Внешний вид и строение некоторых каркасов: а — пластмассовый; б — изготовлен из штампованных деталей; в — склеенный из электрокартона; г — бескаркасная намотка катушки

Для трансформаторов специального назначения, работающих в сложных условиях, каркасы изготавливают из пластмассы, гетинакса или текстолита. В трансформаторах, предназначенных для тропических условий, применяют вместо каркасов картонные или пластмассовые гильзы, облегчающих утечки трансформаторов жидкими диэлектриками и заливки их компаундом. Защита трансформаторов питания может осуществляться пропиткой, герметизацией и заливкой компаундом. Утечки жидкими диэлектриками подлежат все трансформаторы, независимо от того, будет или не будет применяться другой способ защиты. Жидкие диэлектрики, которые просачиваются, должны иметь малую вязкость и хорошую адгезию. Они не должны растворять изоляцию проводов, быть термостойкими, иметь хорошие диэлектрические свойства. Этим требованиям отвечают битумные или водоэмульсионные лаки. Надежную защиту обеспечивает герметизация. Во время герметизации пропитанный трансформатор помещают в металлический кожух и заливают компаундом. Для герметизации выводов применяют металлостеклянный или металлокерамические спаи. Последние являются более надежными и дешевыми.
Если условия работы менее жесткие, а требования к весогабаритным показателям высокие, вместо герметизации применяют обволакивания, которое заключается в заливке трансформаторов компаундом с последующим покрытием влагостойким лаком. Внешний вид некоторых низкочастотных трансформаторов питания приведены на рис. 4.Внешний вид некоторых низкочастотных трансформаторов питания

Рис. 4. Внешний вид некоторых низкочастотных трансформаторов питания

Внешний вид и конструкции некоторых малогабаритных трансформаторов: а - плоский броневой; б - тороидальный: 1 - сердечник; 2 - намотка

Рис. 5. Внешний вид и конструкции некоторых малогабаритных трансформаторов: а — плоский броневой; б — тороидальный: 1 — сердечник; 2 — намотка

Для микроэлектронной аппаратуры разработаны конструкции малогабаритных трансформаторов, в частности кабельных (рис. 2, ж); кольцевых (рис. 2, и); броневых и тороидальных (рис. 5).
Анализ конструкций малогабаритных трансформаторов показывает, что в них сердечники могут размещаться не только внутри, но и снаружи катушек, как в кольцевых и кабельных трансформаторах. Такое размещение магнитопровода облегчает теплоотвода от трансформатора. Для навесного монтажа гибридных ИМС разработаны конструкции миниатюрных трансформаторов (рис. 6), которые герметизируют в совместном с ИМС корпусе.Внешний вид миниатюрных трансформаторов (в упаковке), предназначенных для навесного монтажа гибридных ИМС

Рис. 6. Внешний вид миниатюрных трансформаторов (в упаковке), предназначенных для навесного монтажа гибридных ИМС

Работа. Работа трансформатора основана на использовании явления электромагнитной индукции, согласно которому переменное магнитное поле вызывает появление переменного электрического поля и наоборот, переменное электрическое поле вызывает появление переменного магнитного поля (рис. 7). Трансформатор может работать в двух основных режимах: режиме нерабочего (холостого) хода и режиме нагрузки.Схема работы трансформатора

Рис. 7. Схема работы трансформатора

Режимом холостого хода называют такой режим, при котором первичная обмотка трансформатора питается от источника переменного ЭДС, а вторичная обмотка разомкнута. Ток, потребляемый первичной обмотка в этом режиме, называется током холостого хода трансформатора Безымянный, а магнитный поток, который он индуцирует — рабочим магнитным потоком Безымянный.

Ток холостого хода Безымянный состоит из двух составляющих: реактивной составляющей Безымянный тока намагничивания и активной составляющей Безымянный. Их определяют с выраженийБезымянный

где Безымянный — потери в стали (в сердцевине) в режиме холостого хода; Безымянный — напряженность магнитного поля в режиме холостого хода. Значение тока первичной обмотки в режиме холостого хода составляет
только 5 … 8% от номинального. При включении во вторичную обмотку нагрузки Безымянныйтрансформатор переходит в режим нагрузки. Сразу после включения появляется ток нагрузки Безымянный, который создает в трансформаторе свой магнитный поток Безымянный. Большая часть этого магнитного потока замыкается по сердечнику, а меньшая часть — воздухом вокруг витков вторичной обмотки и составляет магнитный
поток рассеяния. Будучи индукционным током, ток вторичной обмотки по правилу Ленца противодействует причине, что его вызвала, поэтому своим магнитным потоком Безымянный противоположного
направлении ослабляет в сердцевине рабочий магнитный поток (рис. 7). Но уменьшение рабочего магнитного потока сразу вызывает рост тока первичной обмотки так, что создаваемый им дополнительный
магнитный поток полностью компенсирует противодействующий магнитный поток вторичной обмотки. Поэтому рабочий магнитный поток в сердечнике после включения нагрузки остается практически неизменным, то естьБезымянный

Ток намагничивания в нагруженном трансформаторе Безымянный мало отличается от Безымянный. Его можно выразить через напряжение и индуктивность первичной обмотки:Безымянный

Свойства. С рис. 7 видно, что между входом и выходом трансформатора гальваническая связь отсутствует. Поэтому трансформатор имеет две схемы замещения: одну для первичной и вторую для вторичной обмотки. Поскольку первичная и вторичная обмотки идентичны, то их схемы замещения будут одинаковыми. Поэтому достаточно рассмотреть одну из них. В этом заключается первая особенность схемы замещения трансформатора. Вторая ее особенность заключается в том, что она должна учитывать наличие магнитной связи между обмотками, в результате которого первая обмотка влияет на параметры второй, а вторая, в свою очередь, — на параметры первой. Это влияние учитывают, приводя параметры первичной обмотки к вторичной и наоборот, параметры вторичной к первичной. Как следует из сказанного, схема замещения первичной обмотки содержит индуктивность Безымянный, которая учитывает ту часть магнитного потока первичной обмотки, что замыкается через вторичную обмотку. Ее можно оценить по известной формуле индуктивности катушки с тороидальным сердечником:Безымянный

Ту часть магнитного потока первичной обмотки, что рассеивается, учитывает индуктивность рассеяния Безымянный. В правильно сконструированном трансформаторе Безымянный. В первичной обмотке наблюдаются также потери энергии, которые определяются активным сопротивлением провода Безымянный. Учитывая явление электромагнитной индукции и правило Ленца, приходим к выводу, что во вторичной обмотке трансформатора возникает свой магнитный поток, который противодействует магнитному потоку первичной обмотки. Часть этого магнитного потока рассеивается и частично влияет на первичную обмотку. Это
влияние характеризует приведена к первичной обмотки индуктивность рассеяния вторичной обмотки Безымянный, определяемая по выражению:Безымянный

где Безымянный — индуктивность вторичной обмотки, n — коэффициент трансформации. Влияют на первичную обмотку также потери энергии в активном сопротивлении Безымянный и в сопротивлении нагрузки Безымянныйвторичной обмотки. Это влияние можно оценить также с помощью соответствующих приведенных параметров:Безымянный

где Безымянный, и Безымянный — приведены к первичной обмотке активное сопротивление и сопротивление нагрузки вторичной обмотки. Используя понятие приведенных к первичной обмотке параметров вторичной обмотки, их влияние на первичную обмотку можно отобразить параллельно подключеную к индуктивности первичной обмотки электрическую цепь с последовательно включенными Безымянный. Итак, получено изображенную на рис. 8 схему замещения первичной обмотки трансформатора.Схема замещения первичной обмотки трансформатора

Рис. 8. Схема замещения первичной обмотки трансформатора

Кроме отмеченных выше элементов, в приведенную схему замещения входит параллельно подключена к Безымянный собственная емкость обмоток трансформатора Безымянный. Аналогичную схему замещения имеет вторичная обмотка трансформатора. Пользуясь схемой замещения, можно выполнять анализ и расчет многих электрических характеристик трансформаторов. Трансформаторы характеризует целым рядом характеристик, в частности внешними (выходные), энергетическими, температурными, намагничивания, частотными, импульсными, надежностными.Внешняя характеристика трансформатора

Рис. 9. Внешняя характеристика трансформатора

Внешняя характеристика трансформатора выражает зависимость выходного напряжения Безымянный от выходного тока Безымянный. Она характеризует спад выходного напряжения в зависимости от характера нагрузки, то есть от угла сдвига фаз между напряжением и током (рис. 9). Видно, что чем больше угол смещения фаз между напряжением и током, тем круче приходит внешняя характеристика. В общем изменение напряжения во вторичной обмотке трансформатора питания при изменении режима его работы от нерабочего хода к нормальной нагрузке не превышает 2 … 3%. Энергетические характеристики трансформатора выражают зависимость удельных потерь в стали Безымянный от магнитной индукции В. Они необходимы для определения активной и реактивной составляющих токов холостого хода, их вид приведен на рис. 10.Зависимость удельных потерь энергии в сердечнике с электротехнической стали с толщиной ленты 0,08 мм в различных частотах от магнитной индукции

Рис. 10. Зависимость удельных потерь энергии в сердечнике с электротехнической стали с толщиной ленты 0,08 мм в различных частотах от магнитной индукции

Видно, что с увеличением магнитной индукции удельные потери энергии экспоненциально растут. Абсолютная их величина зависит от марки электротехнической стали, толщины пластин и частоты изменения тока. Увеличение толщины пластин и частоты изменения тока сопровождается ростом удельных потерь. Температурные характеристики выражают зависимость температуры перегрева трансформатора
Безымянный от удельной поверхностной нагрузки Безымянный. Они необходимы для оценки надежности работы трансформаторов питания. Их вид приведен на рис. 11.Зависимость температуры перегрева от удельной поверхностной нагрузки для броневых трансформаторов с пластинчатыми магнитопроводами различных сечений на частоте 50 (а) и 400 (б) Гц

Рис. 11. Зависимость температуры перегрева от удельной поверхностной нагрузки для броневых трансформаторов с пластинчатыми магнитопроводами различных сечений на частоте 50 (а) и 400 (б) Гц

Видно, что с увеличением удельной поверхностной нагрузки температура перегрева возрастает. Абсолютное ее значение зависит от конструкции сердечника, его поперечного сечения и частоты изменения
тока. Увеличение поперечного сечения и частоты изменения тока увеличивает температуру перегревания. Характеристики намагничивания выражают зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Они необходимые для конструирования и расчета трансформаторов согласования, чтобы уменьшить нелинейные искажения, обусловленные выходом рабочей точки за пределы линейного участка зависимости В (Н) (рис. 12).Кривые зависимости магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для различных типов сердечников с электротехнической стали

Рис. 12. Кривые зависимости магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для различных типов сердечников с электротехнической стали

Анализ рисунка показывает, что линейность зависимости В (Н) сохраняется только в определенных пределах изменения Н. Амплитудно-частотные характеристики выражают зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты, которая обусловлена индуктивностями Безымянный. Их учитывают, проэктируя согласительные трансформаторы, когда ставится задача уменьшить частотные искажения сигналов на низкой и высокой частотах. Они имеют вид, подобный приведенному на рис. 13.Амплитудно-частотная характеристика трансформаторов

Рис. 13. Амплитудно-частотная характеристика трансформаторов

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики на низких и высоких частотах Безымянный и Безымянный определяют с выражений:Безымянный

Для импульсных трансформаторов важна импульсная характеристика, которая имеет вид петли гистерезиса, образованной на кривой намагничивания (рис. 14). Причина ее появления — многократное одностороннее намагничивания сердечника с выходом за пределы линейного участка. Появление такой петли вызывает дополнительные искажения импульсных сигналов.Кривая намагничивания сердечника трансформатора: 1 - начальная кривая, 2 - импульсная характеристика

Рис. 14. Кривая намагничивания сердечника трансформатора: 1 — начальная кривая, 2 — импульсная характеристика

Важными для практики также Безымянный-характеристики, выражающие зависимость интенсивности внезапных отказов трансформаторов от условий эксплуатации. На рис. 15 показаны зависимости относительной интенсивности отказов трансформаторов от температуры окружающей среды.Зависимость относительной интенсивности внезапных отказов трансформаторов от температуры окружающей среды: 1, 2 - трансформаторы высокого и низкого напряжения

Рис. 15. Зависимость относительной интенсивности внезапных отказов трансформаторов от температуры окружающей среды: 1, 2 — трансформаторы высокого и низкого напряжения

Из рис. 15 видно, что повышение температуры окружающей среды увеличивает интенсивность отказов. Высоковольтные трансформаторы имеют большую интенсивность отказов, чем низковольтные.
Различные виды трансформаторов описывают различным параметрам. Для трансформаторов питания важнейшими являются следующие параметры: номинальная мощность Безымянный, выходное напряжение Безымянный, падение напряжения Безымянный, сопротивления обмоток Безымянный и Безымянный, ток намагничивания Безымянный, частота изменения тока Безымянный, коэффициент трансформации n, коэффициент полезного действия (КПД) Безымянный, температура перегрева Безымянный, средняя интенсивность внезапных отказов Безымянный. Для трансформаторов согласования основными параметрами являются: допустимые неравномерности амплитудной характеристики в диапазоне низких и высоких частот Безымянныйи Безымянный, индуктивность первичной обмоткиБезымянный, индуктивность рассеяния обмотокБезымянный собственная емкость трансформатора Безымянный, сопротивления обмоток Безымянный и Безымянный, токи намагничивания Безымянный, коэффициент трансформации n, критическая мощность Безымянный, коэффициент полезного действия Безымянный, средняя интенсивность отказов Безымянный. Если в приведенном выше перечне
параметров трансформаторов согласования Безымянный, Безымянный, и Безымянный заменить временем нарастания переднего фронта импульса Безымянный, величиной спада его плоской вершины Безымянный, время спада заднего фронта импульсаБезымянный, импульсной магнитной проницаемостьюБезымянный, и сдаваемой магнитной проницаемостью Безымянный, то получим набор параметров, характеризующих импульсные трансформаторы. Номинальная мощность трансформатора Безымянный равна сумме номинальных мощностей вторичных обмоток, то естьБезымянный

где к — количество вторичных обмоток, Безымянный — номинальная мощность i-й вторичной обмотки, определяется произведением номинального тока Безымянный обмотки на ее номинальное напряжение Безымянный:Безымянный

Выходное напряжение Безымянный — это напряжение на нагрузке, а при его отсутствии (режим холостого хода) оно равно действующей во вторичной обмотке ЭДС Безымянный. Падение напряжения трансформатора характеризует изменение его выходного напряжения вследствие изменения сопротивления обмоток, вызванной их нагреванием рассеиваемой в меди мощностью Безымянный. Он характеризует стабильность парамеры трансформатора. Его значение в относительных единицах рассчитывают такБезымянный

или

Безымянный

где Безымянный— абсолютное изменение выходного напряжения, Безымянный — действующее значение ЭДС. Сопротивления обмоток Безымянный и Безымянный — это активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора. Их значение определяется материалом обмотки, длиной и поперечным сечением провода:Безымянный

где Безымянный — удельное сопротивление материала провода (меди) Безымянный и Безымянный — длины проводов; Безымянный и Безымянный — площадь поперечного сечения проводов. Ток намагничивания Безымянный — это та часть тока первичной обмотки
трансформатора, который расходуется на намагничивании сердечника к магнитной индукции Безымянный, вторая часть тока первичной обмотки компенсирует размагничивающие действие Безымянный. Безымянный определяется так:Безымянный

где Безымянный — поперечное сечение сердечника; Безымянный — коэффициент заполнения сердечника. Ток намагничивания Безымянный может быть определен по графику зависимости В (I) рис. 16, который приводят в справочной литературе, или рассчитанный за соответствующими формулами.

При расчете учитывают, что ток намагничивания численно равен реактивной составляющей тока холостого хода трансформатора. Частота изменения тока Безымянный — это частота, на которой работают трансформаторы. Для трансформаторов питания, которые предназначены для работы на низких частотах, Безымянный лежит в пределах 50 Гц … 50 кГц, а для трансформаторов согласования, которые работают на более высоких частотах Безымянный> 50 кГц.График зависимости магнитной индукции от тока через первичную обмотку трансформатора

Рис. 16. График зависимости магнитной индукции от тока через первичную обмотку трансформатора

Частота изменения тока является важным параметром трансформаторов, поскольку она в значительной мере предопределяет выходную мощность трансформаторов питания при заданных размерах или размерах трансформаторов по заданной исходной мощности. В трансформаторах согласования и импульсных от частоты изменения тока зависит величина искажений сигналов. Коэффициент трансформации Безымянный — это параметр, который показывает, какое существует соотношение между напряжениями и токами на зажимах первичной и вторичной обмоток нагруженного трансформатора. Он определяется по выражениям:Безымянный

С формулы видно, что Безымянный

Это означает, что трансформатор трансформирует (изменяет) напряжения и токи и не изменяет мощности. Сказанное справедливо только для идеальных трансформаторов, которые не имеют потерь энергии. В реальных трансформаторах с потерями энергии Безымянный на потери энергии в обмотках и сердечнике. Учитывая малое падение напряжения в обмотках трансформаторов, отношение напряжений в выражении может быть заменено отношением ЭДС:Безымянный

Выражение только как для нагруженного, так и для ненагруженного трансформатора. Поскольку индуцированные ЭДС в первичной и вторичной обмотках трансформатора пропорциональны количеству витков этих обмотокБезымянный

то отношение ЭДС в выражении можно заменить отношением количества витков:Безымянный

Если Безымянный, трансформаторы увеличивают выходное напряжение в Безымянный раз Безымянный, а выходной ток увеличивают в столько ж разБезымянный. Коэффициент полезного действия Безымянный определяет производительные потери энергии трансформатором. Он определяется отношением полезной мощности Безымянный к общей, которая, кроме полезной Безымянный, содержит мощности рассеяния в сердцевине Безымянный и в обмотках Безымянный, то естьБезымянный

где

Безымянный

Безымянный — масса сердечника; Безымянный — угол сдвига фаз между напряжением и током. Потери энергии в сердечнике на его перемагничивания пропорциональны его веса и Безымянный. Поэтому увеличение индукции в сердечнике существенно влияет на его потери. Потери энергии в обмотках обусловленные преимущественно их активным сопротивлением, уменьшать который можно соответствующим выбором материала провода. Любые изменения тока во вторичной обмотке трансформатора Безымянный при неизменном входного напряжения Безымянный ведут к такому изменению значения тока в его первичной обмотке, при которой результивная магнитная индукция в сердечнике трансформатора остается неизменной и такой, что по значению равен магнитной индукции холостого хода. Но за постоянства магнитной индукции неизменными остаются потери на вихревые токи и перемагничывание. Это значит, что с изменением Безымянный потери энергии в сердечнике Безымянный, не изменяются, в то время как потери в обмотках Безымянный меняются. Это приводит к соответствующему изменению коэффициента полезного действия Безымянный (рис. 17).Зависимость коэффициента полезного действия (1) потерь в сердечнике (2) и обмотках (3) от тока вторичной обмотки трансформатора

Рис. 17. Зависимость коэффициента полезного действия (1) потерь в сердечнике (2) и обмотках (3) от тока вторичной обмотки трансформатора

Наибольшим КПД становится, если Безымянный, то есть при равенстве потерь в стали и меди. Он меньше и в маломощных трансформаторах (60 … 80%) и значительно больше в мощных (90 … 99%). Температура перегрева трансформатора Безымянный — это разница между температурой трансформатора и температурой окружающей среды. Она характеризует тепловой режим работы и определяет его долговечность и надежность. Если максимально нагретый участок содержится внутри обмоток, температуру перегрева определяют по формуле:Безымянный

где А и Б — тепловые сопротивления меди и стали. Температура перегрева связана также с общей поверхностью охлаждения трансформатора П:Безымянный

Допустимый перегрев трансформатора определяется термостойкостью магнитных, изоляционных и проводниковых материалов, из которых изготовлено основные элементы его конструкции. Типичную величину перегрева обычно берут 50 ° С. Важным параметром трансформаторов является интенсивность их отказов Безымянный, характеризующая надежность работы за внезапных отказов, которые являются для них основными. Чаще всего встречаются следующие виды внезапных отказов, как обрывы соединений обмоток с внешними выводами, короткие замыкания витков, пробои межвитковой и междуобмотковой изоляции и тому подобное. Интенсивность отказов трансформаторов составляет примерно Безымянный. Трансформаторы с повышенными напряжениями, как правило, имеют низкую надежность.
Неравномерности амплитуды-частотной характеристики трансформаторов согласования показывают, во сколько раз меняется амплитуда сигналов при изменении частоты. Их значения на низких и высоких частотах определяются выражениями:Безымянный

где Безымянный — внутреннее сопротивление источника сигналов; Безымянный и Безымянный — нижняя и верхняя частоты рабочего частотного диапазона; Безымянный и Безымянный — эквивалентные сопротивления на низких и высоких частотах; Безымянный— индуктивность рассеяния трансформатора, которая учитывает индуктивность рассеяния первичной обмотки Безымянный, и приведенную в первичной обмотки индуктивность рассеяния вторичной обмотки Безымянный, которую определяют по выражению:Безымянный

где Безымянный — коэффициент, зависящий от типа намотки (Безымянный для несекционированной, Безымянный для секционированной намоток); Безымянный — средняя длина витка, см; Безымянный — промежуток между первичной и вторичными обмотками, см; Безымянный и Безымянный — толщина первичной и вторичной обмоток в направлении, перпендикулярном потоке рассеяния, см; Безымянный — длина намотки в направлении потока рассеяния.
Критическая мощность трансформатора согласование Безымянный — это мощность, при которой нелинейные искажения, вносит трансформатор, что достигают максимально допустимого уровня. Входной импульсный сигнал, проходя через импульсный трансформатор, меняет свою форму. Увеличивается время нарастания и спада импульса, уменьшается его амплитуда (рис. 18). Что вызванные изменения переходными процессами в индуктивности и емкости трансформатора.Форма входного (а) и выходного (б) сигналов импульсного трансформатора

Рис. 18. Форма входного (а) и выходного (б) сигналов импульсного трансформатора

Спад плоской части импульса Безымянный показывает, на сколько уменьшается амплитуда импульса за время его продолжительности Безымянный. Анализируя эквивалентную схему транформатор, можно показать,
что на низких частотах изменение напряжения во времени на индуктивности Безымянный описывается выражением:Безымянный

где Безымянныйпроизводная от тока по времени; Безымянный — изменение эквивалентной ЭДС во времени.
Видно, что в момент времени Безымянный, а через время Безымянный.Безымянный

Падение напряжения определяется разницей двух значений Безымянный:Безымянный

На высоких частотах продолжительности переднего Безымянный и заднего Безымянный фронтов импульса растут (рис. 18), в основном из переходные процессы, обусловленные паразитными емкостями и индуктивностями трансформатора. Можно показать, чтоБезымянный

где Безымянный приведен к первичной обмотке выходное сопротивление трансформатора, определяется по выражению:Безымянный

Безымянный — эквивалентное сопротивление потерь на вихревые токи; Безымянный — приведенная к первичной обмотки суммарная емкость вторичной обмотки и нагрузки. Для оценки продолжительности заднего фронта импульса может быть использовано выражение при условии, что в нем индуктивность рассеяния Безымянный заменены на индуктивность первичной обмотки Безымянный:Безымянный

Импульсная магнитная проницаемость сердечника импульсного трансформатора Безымянный — это величина, которая определяется с импульсной характеристики сердечника. Она равна отношению прироста магнитной индукции Безымянный к приросту напряженности магнитного поля Безымянный:Безымянный

Во время импульсного намагничивания в пластинах сердечника возникают вихревые токи. Они задерживают нарастание магнитного поля и вызывают неравномерный его распределение по поперечному сечению пластин. Эти явления сопровождаются искажением фронта импульса и уменьшением импульсной магнитной проницаемости в величины Безымянный. Сдаваемая магнитная проницаемость Безымянный будет равна:Безымянный

где Безымянный — коэффициент, зависящий от величины отношения Безымянный ; Безымянный — постоянная времени вихревых токов, которая определяется по формуле:Безымянный

где Безымянный — толщина пластин, см; Безымянный — удельное сопротивление пластин, Безымянный.Зависимость коэффициента от величины отношения

Рис. 19. Зависимость коэффициента Безымянный от величины отношения Безымянный

Применение. В электронной аппаратуре являются каскады и устройства, для питания которых требуются различные постоянные и переменные напряжения. В то же время мощный первичный источник питания, как правило, имеет одно напряжение. Поэтому любое электронное устройство содержит достаточно сложную систему питания, в которую входят выпрямители на различные напряжения и мощности, преобразователи постоянного тока с одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, которые используют трансформаторы питания. Они должны иметь высокую надежность, малую массу и малые габариты. Но анализ показывает, что прогресс их конструктивно-технологических характеристик меньше, чем других элементов. В результате они стали самыми тяжелыми и громоздкими и одновременно наименее надежными элементами электронной аппаратуры. Как правило, масса и габариты устройств питания составляют 0,1 … 0,5 массы и габаритов всей аппаратуры, и на их долю приходится до 50% отказов. Совершенствуется конструкция трансформаторов в направлении уменьшения толщины лент до 0,01 мм и применение для изготовления сердечников ферритов, в результате чего удалось проникнуть в область высоких частот (50 … 100 кГц) и за счет этого уменьшить массу и габариты трансформаторов питания и повысить их надежность. Трансформаторы согласования применяют в широком диапазоне частот для согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением источников сигналов. Они должны иметь малые искажения сигналов. По сравнению с трансформаторами питания они рассчитаны на меньшие мощности и на более высокие частоты, поэтому имеют меньший вес и габариты. Но так же, как и трансформаторы питания, они не поддаются миниатюризации и поэтому сфера их использование ограничивается преимущественно мощными усилителями звуковых сигналов бытовой техники. Импульсные трансформаторы выполняют функции, аналогичные функциям трансформаторов согласования, но применительно к импульсным сигналов. Они должны иметь минимальное искажение формы импульсов. Работают на высоких частотах, поэтому имеют малые габариты. Учитывая это, маломощные импульсные трансформаторы используют в микроэлектронной аппаратуре. Мощные крупногабаритные образцы применяют в мощных импульсных радиопередавальных устройствах.

Комментарии 1

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*