2.4 Краткие теоретические сведения

Функционирование трансформатора основано на связи цепей через магнитный поток. Схема трансформатора приведена на рис. 2.1

I₁ I₂

L₁ W₁ W₂ U₂ R_н

Рисунок 2.1 – схема электрическая функциональная трансформатора.

При вклю­чении в первичную цепь трансформатора источника э.д.с. по первичной обмотке, содержащей W₁ витков, протекает ток I₁ и образуется магнитный поток Ф который создает э.д.с. L₂ во вторичной цепи, и через нагрузку R_н протекает ток I₂.

Пренебрегая сопротивлением обмоток и магнитными потоками рассеи­вания, можем записать:

L₂=U₂= -W₂dФ/dt, (2.1)

-U₁=L₁= -W₁dФ/dt (2.2)

Отсюда получаем (если витки W₁ и W₂ намотаны в одну сторону)

U₂= L₂= -U_1*n (2.3)

где n = W₁/W₂ - коэффициент трансформации.

В случае синусоидального напряжения для амплитудных значений можем записать

Е₂= U_1* W₁/W₂ = U_1*n (2.4)

Напряжение U₂ или э.д.с. Е₂ находятся в противофазе с U₁. Считая, что, трансформатор только передает мощность и пренебрегая сопротивле­нием обмоток и магнитными потоками рассеяния, имеем:

I₂=I_1*W₁/W₂=I₁/n (2.5)

Таким образом, идеальный трансформатор осуществляет трансформацию напряжений или токов, что позволяет получить требуемое напряжение, согласовать напряжение и ток первичной цепи с сопротивлением нагрузки вторичной цепи или дать вторичное напряжение, требующееся для создания вторичного источника питания РЭА и ЭВА.

Для обеспечения возможно более полной связи между первичной и вторичной цепью и увеличения магнитного потока через обмотки исполь­зуют сердечники. Использование сердечников приводит к некоторым осо­бенностям процессов, протекающих в трансформаторах.

Материал сердечника создает сопротивление протеканию магнитному потоку, и для возникновения переменного магнитного потока нужной ин­тенсивности требуется, чтобы по первичной обмотке протекал ток, который называется током намагничивания.

Кроме того, в реальных трансформаторах имеются потоки рассеяния в каждой из обмоток, что приводит к наличию индуктивностей рассеяния.

При действии переменного магнитного поля в материале сердечника наблюдается магнитный скин-эффект, который приводит к потерям из-за уменьшения эффективной магнитной проницаемости. При протекании токов по обмоткам трансформаторов наблюдаются также потери в обмотках.

Рисунок 2.2 – схема замещения трансформатора

где L₁ - индуктивность первичной обмотки;

R₁ - активное сопротивление проводов первичной

обмотки;

L_S1 - индуктивность рассеивания первичной обмотки;

С₀ - собственная емкость обмоток трансформатора;

R ₂= - активное сопротивление проводов вторичной

обмотки приведенное к первичной обмотке;

L_S2= - индуктивность рассеивания вторичной обмотки

приведенная к первичной обмотке;

Rн= - сопротивление нагрузки приведенное к

первичной обмотке;

n - коэффициент трансформации.

Трансформаторы питания предназначены для преобразования электри­ческой энергии с заданной точностью и максимальным КПД. Основными параметрами трансформатора являются: мощность, частота и напряжение.

Основой конструкции трансформатора является сердечник. Сердечники, имеющие разветвленную магнитную цепь, называются броневыми; сердечники, имеющие одну магнитную цепь постоянного сечения - стержневыми; сердечники кольцеобразной формы - тороидальными (рис.2.3).

трехфазный броневой стержневой тороидальный

Рисунок 2.3 – конструкции трансформаторов

Импульсные трансформаторы предназначены для передачи коротких импульсов напряжения заданной формы. Они широко применяются в аппа­ратуре для радиолокации, телевидения и импульсной радиосвязи. С их помощью осуществляется повышение и понижение напряжения импульсов, изменение полярности и т.д.

Импульсные трансформаторы должны как можно меньше искажать форму трансформируемых импульсов напряжений. Искажение формы обусловлено сложными переходными процессами, так как трансформатор имеет емкость и индуктивность.

Прямоугольный импульс можно разложить в ряд Фурье, в котором будут содержаться гармонические колебания разных частот. Для того, чтобы передать широкий спектр частот с наименьшими искажениями, необ­ходим широкополосный трансформатор. По форме частотной характеристики трансформатора можно судить об искажениях импульса. Однако при расчете импульсных трансформаторов удобнее непосредственно связать параметры трансформатора с искажениями формы импульса. Эти искажения могут харак­теризоваться временем нарастания фронта t_н и выбросом паузы (спадом плоской части импульса).

Выброс паузы зависит от индуктивности первичной обмотки и, следовательно, определяется частотной характеристикой трансформатора в области низких частот. Время нарастания фронта t_н зависит от вида час­тотной характеристики трансформатора в области высоких частот, которая определяется индуктивностью рассеяния и емкостью.

Наиболее часто импульсные трансформаторы используются при дли­тельности импульсов 0,2 - 10 мкс с длительностью фронта 0,01 - 0,2мкс.

При длительности фронта 0,01 мкс спектр импульса охватывает область частот до 100 мГц. При больших длительностях фронта он соот­ветственно сужается. Поэтому для импульсных трансформаторов используются сердечники тороидальной формы, изготовленные на тонких сортов электротехнических сталей и сплавов (толщина ленты 0,1 о 0,01 мм в зависимости от длительности импульса) или из ферритов. Для уменьшения индуктивности рассеяния намотка провода осуществляется с малым коли­чеством слоев или применяются другие конструктивные методы, например, параллельная намотка первичной и вторичной обмоток. Для уменьшения емкости обмотки разделяются на секции. Для повышения влагостойкости трансформаторы пропитывают компаундами и дополнительно герметизируют с помощью обволакивания или заливки.