+Схемно означение Трансформатор с две намотки и феромагнитен магнитопровод. Трансформатор с три намотки. Точките показват относителното разположение на началата на намотките. Трансформатор с електростатично екраниране предотвратяващо капацитивното влияние между намотките.

Трансформаторът е статично електрическо устройство, чрез което се пренася електрическа енергия от една електрическа верига в друга чрез индуктивна връзка. Това се постига чрез трансформаторни намотки. Променливият ток в първата, (първична намотка), създава променлив магнитен поток в ядрото на трансформатора и съответно променливо магнитно поле.Основи на електротехниката Проф. Минчо Златев, издателство Техника, София, 1964, стр.186 Това променливо магнитно поле индуцира променлива електродвижеща сила (напрежение) във вторичната намотка. Описаният ефект се нарича взаимна индукция. Същият променлив магнитен поток индуцира електродвижеща сила (напрежение) и в първичната намотка. Това явление се нарича самоиндукция.

Ако към вторичната намотка се свърже консуматор, през нея протича ток и електрическа енергия се пренася от първичната намотка през трансформатора към консуматора. При идеализиран трансформатор, индуцираното напрежение във вторичната намотка (Vs) е пропорционално на напрежението в първичната намотка (Vp) и на отношението на броя на навивките във вторичната (Ns) и първичната намотка (Np):(По-правилно да се каже, е че при идеализиран трансформатор, индуцираното напрежение във вторичната намотка и неговото отношение спрямо напрежението в първичната намотка е правопропорционално на броя на навивките във втората намотка спрямо броя на навивките в първата):

Чрез подходящ подбор на съотношението на навивките, трансформаторът дава възможност за промяна на напрежението, като го повишава при Ns, по-голямо от Np, или го понижава при Ns по-малко от Np.

При повечето трансформатори намотките са разположени на феромагнитен магнитопровод, при които магнитната индукция и магнитния поток се увеличават значително.

Изключение са трансформаторите с въздушна индуктивна връзка /трансформатори без магнитопровод/. Тези трансформатори без магнитопровод се използват при много големи честоти, когото загубите в магнитопровода са много големи това силно влошава КПД на трансформатора.

Размерите на трансформаторите варират в широки граници – от трансформатори с размери под 1 cm в сценичните микрофони до съоръжения, тежащи стотици тонове, свързващи части на електропреносната мрежа. Всички те действат въз основа на един и същ принцип, макар че устройството им може да бъде различно. Съвременните технологии в доста електронни схеми позволяват работа без трансформатор благодарение на полупроводниците. Въпреки това трансформаторите все още те имат своето място и предимства в много приложения. Те продължават да бъдат основен елемент на системите за пренос на електроенергия, позволяващ изграждането на ефективни високоволтови линии. Съществуват и други видове трансформатори основаващи се на различни физични явления-например пиезоелектричеството.

История Откриване

Явлението електромагнитна индукция е открито през 1831 година по отделно от англичанина Майкъл Фарадей и американеца Джоузеф Хенри, като Фарадей пръв публикува резултатите от своите експерименти. Връзката между електродвижеща сила и магнитен поток е формулирана в уравнение, известно днес като закон на Фарадей за електромагнитната индукция:

.

където е размерът на електродвижещата сила, а dΦB е изменението на магнитния поток в устройството. dt – отрязък от време. Значи е толкова по-голямо, колкото изменението на магнитния поток dΦB е по-голямо и за по-кратко време.

Фарадей провежда първите експерименти с индукция между намотки от проводник, включително с намотаването на две отделни намотки около железен пръстен – първият тороиден трансформатор със затворен магнитопровод.

Индукционни бобини Първият тип трансформатори, намерил по-широко практическо приложение, е индукционната бобина (бобина на Румкорф), открита през 1836 година от ирландеца Никълас Калан. Той е един от първите изследователи, които забелязват, че съотношението на навивките на двете намотки може да се използва за увеличаване или намаляване на електродвижещата сила. Първоначалният стимул за използването на индукционните бобини е желанието на експериментаторите да увеличат напрежението, получавано от батерии. Тъй като батериите създават постоянен, а не променлив ток, първите индукционни бобини използват вибриращи контакти подобни на тези в релетата, които периодично прекъсват тока в първичната намотка, за да създадат променлив магнитния поток, необходими за индукцията. През първия половин век след появата им усилията за създаване на по-усъвършенствани индукционни бобини, главно чрез проби и грешки, постепенно разкриват основните принципи на действие на трансформаторите.

През 70-те години на 19 век се появяват електрическите генератори, произвеждащи променлив ток, и става ясно, че индукционните бобини могат да се захранват направо с променлив ток без използване на прекъсвач. През 1876 година руснакът Павел Яблочков създава система за осветление, при която използва индукционни бобини, чиито първични намотки са свързани с източник на променлив ток, а вторичните – с няколко електрически свещи. През 1878 година унгарското предприятие Ганц започва производството на системи за електрическо осветление, които работят изцяло с променлив ток, използвайки трансформатори.

През 1882 година французинът Люсиан Голар и англичанинът Джон Диксън Гибс за пръв път демонстрират устройство с отворен магнитопровод, след което продават правата за използването му на американската компания Уестингхаус. Този вид трансформатори намира приложение в осветителни системи в Италия, макар че ефективността им остава много ниска.

Индукционните бобини с отворен магнитопровод имат ниска ефективност при пренасянето на мощността към консуматорите и първоначално до 1880 година проблемът за понижаване на напрежението на променлив ток се решава чрез последователно свързване на поредица устройства, представляващи консуматори. Трансформатори с отворен магнитопровод и отношение на предаване 1:1 са свързани с първичните си намотки последователно към високото напрежение и подаващи ниско напрежение към лампите. Недостатък на този метод е, че изключването на една от захранваните лампи се променя напрежението за всички останали. За да се преодолее този проблем се конструират различни трансформатори с възможност за настройване. Ефективно работещи трансформатори се появяват едва през 80-те години на 19 век и през следващото десетилетие изиграват решаваща роля за успешното разпространение на системите, базирани на променлив ток, за сметка на правотоковите.

Други ранни трансформатори През 1889 година роденият в полско-руско семейство немски инженер Михаил Доливо-Доброволски разработва във фирмата AEG (Algemeine Elektricitäts-Gesellschaft) в Германия първия трифазен трансформатор.

През 1891, Никола Тесла изобретява бобината на Тесла или още (трансформатор на Тесла), представляваща резонансен трансформатор за създаването на много високо напрежение с висока честота. Първичната намотка на този високочестотен трансформатор се е захранва от бързи разряди на високоволтови кондензатори зареждани от по-малък стандартен трансформатор. Тесла прави опити дълго време с тези трансформатори, с цел да пренася безжично електрическа енергия в йоносферата и дори да ги използва, като електромагнитно оръжие.

Основни принципи

Напрежението, което се подава на входа на трансформатора, се нарича първично (входно), а това, което се получава на изхода, се нарича вторично (изходно), а съответните намотки – първична и вторична.

Първичната намотка, при подадено към нея напрежение, създава променлив магнитен поток в околната магнитна среда. Промените в този магнитен поток индуктират напрежение в първичната и вторична намотки. Ако навивките на вторичната намотка са повече от навивките на първичната, то трансформаторът е повишаващ и обратно – ако са по-малко е понижаващ.

Съотношението „брой навивки на волт“ е еднакво за двете намотки. Трябва да се има предвид и че първичната и вторичната мощност са равни /разликата е загубите в трансформатора/, което означава, че в каквото съотношение са първичното и вторичното напрежение, точно в обратното съотношение са първичният и вторичният ток. Това е важно при избора на дебелината на проводника за първичната и вторичната намотки.

В идеалния случай, когато няма загуби при трансформирането, енергията постъпваща в първичната верига се трансформира в магнитно поле и след това в енергия на вторичната верига. Това показва, че при трансформирането не се печели енергия, даже обратното. но този процес на трансформация позволява да се ползват такива електрически параметри на електрическата верига, които са необходими – като например за пренос на електрическа енергия, за ползване в транспорта, за ползване в домакинствата, в електронни устройства и т.н.

където: P1 – моментната стойност на постъпващата в трансформатора мощност в първичната верига, P2 – моментната стойност на преобразуваната от трансформатора мощност, постъпваща във вторичната верига.

Чрез уравнението на идеалния трансформатор се изразява връзката между трансформираните напрежения и токове и конструкцията му за осъществяване на това:

където N е броят на намотките във всяка една от страните на трансформатора.

Реален трансформатор

Идеалните трансформатори са практически нереализуеми. Един реален трансформатор се различава от идеалния трансформатор по следните параметри:

Проводникът имат собствено съпротивление. Съпротивителните загуби в проводника зависят от натоварването на трансформатора и са пропорционални на втора степан от токовете, преминаващи през всяка намотка. Загуби от паразитните капацитети. Те са пропорционални на напрежението и честотата. В магнитопровода загубите са двукомпонентни, загуби от вихрови токове и загуби от хистерезис. При цикличното намагнитване на магнитопровода се изразходва енергия.

Съществуват обаче и други видове загуби: допълнителни загуби, създадени от хармоници, загуби от разсейване на магнитния поток и загуби, които могат да се отнесат най-вече към по-големите трансформатори – загуби от охлаждане или допълнителни загуби, причинени от използването на охлаждащо оборудване, като вентилатори и помпи.

Не целият магнитен поток, който се създава от първичната намотка, преминава през вторичната намотка, като има различни магнитни потоци, които се разсейват. Магнитната проницаемост на магнитопровода зависи от честотата и силата на магнитния поток. Загубите в магнитопровода почти не зависят от натоварването, но зависят на втора степен от плътността на основния магнитен поток, /магнитната индукция/ както и са пропорционални на честотата. Ефекта на насищане на магнитопровода водят до това, че индуктивността на първичната намотка не е константна величина, а зависи от магнитния поток на първичната намотка. Това е характерно за трансформатори които работят в електрониката. Там обикновено има два или три различни тока. Магнитните им потоци не се уравновесяват. Когато има такава опасност конструкторите слагат малък диелектричен участък по пътя на магнитния поток. Магнитопровода променя много малко формата си поради ефекта на магнитострикция при промяна на магнитното поле. Бръмчене /брум/ може, също така да е предизвикан от хлабави навивки или листовете на магнитопровода. Брум с ниска интензивност предизвиква и магнитострикцията на магнитопровода. При празен ход на вторичната намотка, през първичната намотка на протича един ток на намагнитване, който зависи от големината на реактивното съпротивление на първичната бобина на трансформатора и подаденото напрежение.

Еквивалентна схема на реалния трансформатор

Загубите от нагряването на намотките и загубите от реактивното съпротивление са представени от импедансите в модела: Първична намотка: RP, XP Вторична намотка: RS, XS.