Специальные трансформаторы: типы, режимы работы и назначение

Для начала разберемся, для чего служит трансформатор и что это такое. Это электрическая машина, предназначенная для изменения напряжения тока. Они бывают разные в зависимости от назначения. Существуют трансформаторы тока, напряжения, согласующие, сварочные, силовые, измерительные. У всех разные задачи, но однозначно их объединяет принцип действия. Любые трансформаторы работают на переменном токе. Не существует таких устройств постоянного тока. Все они имеют первичную и вторичную обмотки.

Что называют первичной, а что — вторичной обмоткой?

Первичной считается та, на которую приходит напряжение, а вторичная – та, с которой его снимают. Предположим, что мы имеем трансформатор, который преобразует 220 В переменного тока в 12 В. В таком случае первичной обмоткой является та, которая на 220 В. Но трансформаторы могут не только понижать, но и повышать напряжение. Таким образом, подключая 12 В переменного тока на ранее указанную вторичную обмотку, мы с первичной можем снимать 220 В. Таким образом они меняются местами.

В некоторых случаях вторичных обмоток может быть несколько. Например, в старых телевизорах стояли устройства с одной первичной обмоткой и множеством вторичных, напряжение на которых варьировалось от 3,3 до 90 В. В любом случае трансформатор служит для преобразования напряжений и токов до оптимальных значений.

AudioKiller’s site

Все, что здесь написано, я проверял экспериментально.

Существует мнение, что если усилитель воспроизводит синусоидальный сигнал частотой 25 Гц (половина частоты питающей сети), то при этом сердечник трансформатора подмагничивается постоянным током. Общение на радиолюбительских форумах показало, что все сводится (я немного упрощаю) к двум позициям:

1. Постоянка присутствует исключительно в схеме выпрямителя со средней точкой:

Если же у трансформатора две вторички, каждая из которых имеет свой выпрямитель:

то никакого подмагничивания не случится.

2. Применять тороидальные трансформаторы опасно, т.к. из-за отсутствия зазора в сердечнике подмагничивание сказывается на них очень сильно. Поэтому мощность трансформатора надо выбирать раза в два больше, чем нужно.

Это все ерунда – об этом вообще можно не задумываться!

Я встретился с подмагничиванием в статье Константина Никитина «Электропитание аудиоаппаратуры: мифы и реальность», опубликованной в журнале «Аудио Магазин» №1 за 1998 год. Меня эта информация тогда сильно не зацепила – уж очень маловероятно, что в реальном музыкальном сигнале встретилась составляющая точь-в-точь частотой 25 Гц с большой амплитудой и длительностью.

Однако недавно я заинтересовался этим вопросом и довольно быстро выяснил, что у всех этих мнений единственный первоисточник – вышеупомянутая статья. Других научных публикаций на эту тему я не нашел. Я проанализировал работу трансформатора в таком режиме (теоретически и экспериментально), но несколько сомневался в своих результатах. Поэтому я связался по электронной почте с автором статьи Константином Никитиным, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой Силовой электроники в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. Бонч-Бруевича. И получил полное одобрение следующих «пяти положений о подмагничивании»:

1. При усилении синусоидального сигнала частотой 25 Гц возникает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, вызывающим насыщение сердечника. Физическая причина подмагничивания при работе выпрямительно-трансформаторной схемы на усилитель проста: усилитель потребляет не постоянный ток, а сигнал с частотой, равной удвоенной частоте усиления. Следовательно, вполне возможны ситуации, когда условия работы трансформатора от периода к периоду сетевой частоты будут существенно разниться. Так как в штатной ситуации трансформатор подводится к насыщению исключительно током холостого хода (рабочие токи обмоток создают равные и противоположные потоки), то достаточно минимального, соизмеримого с током холостого хода (в пересчете на первичную обмотку), тока подмагничивания – и авария обеспечена.

2. Такое подмагничивание характерно для усилителей, выходной каскад которых работает в классе В или АВ и отсутствует у усилителей, выходной каскад которых работает в классе А.

3. На практике частота сигнала не обязательно должна быть именно 25 Гц – трансформатору для насыщения хватает и не нулевой (но достаточно малой) частоты подмагничивания.

4. Подмагничивание происходит как в схеме выпрямителя со средней точкой и одним общим диодным мостом, так и в схеме с отдельными обмотками трансформатора и отдельными мостами в каждом плече. С точки зрения подмагничивания схемы не эквивалентны, но оно есть везде.

5. В силу того, что в реальном звуковом сигнале составляющие «критических» частот имеют малую амплитуду и продолжительность, указанная опасность невелика, но вот на спецсигналах может быть спровоцирована ситуация, когда всё будет плохо.

Давайте разберемся.

Что плохого в этом подмагничивании? Плохо то, что трансформатор работает на переменном токе и не работает на постоянном. Поэтому, если на переменном токе ток вторичной обмотки компенсируется током первичной, то на постоянном такой компенсации не происходит. И постоянный ток дополнительно намагничивает сердечник трансформатора, который и без того уже намагничен под завязку. Ток первичной обмотки при этом сильно повышается, обмотка сильно нагревается. Хорошо, если сгорит предохранитель в первичной обмотке, а не сама обмотка.

Вот как выглядит ток трансформатора (на холостом ходу, чтобы не мешал ток, отдаваемый во вторичную обмотку):

Возникает подмагничивание грубо говоря так: когда ток сети протекает через обмотку трансформатора в одном направлении, усилитель от выпрямителя потребляет ток. Поэтому ток трансформатора большой. Когда ток в трансформаторе меняет направление, усилитель перестает потреблять ток, и ток в трансформаторе маленький. Получается, что в одном направлении через трансформатор протекает больше тока, чем в противоположном. Ток, текущий только в одном направлении и есть постоянный ток. Поскольку этот ток определяется током нагрузки блока питания, то ни схема выпрямителя, ни сопротивление обмоток на постоянный ток не влияют – он получается как некоторый процент от тока нагрузки.

Более научно появление постоянной составляющей объясняется так. Ток, потребляемый усилителем от источника питания изменяется во времени. И ток, отдаваемый трансформатором с одной стороны переменный 50 Гц, с другой – меняется еще и пропорционально току усилителя. Происходит перемножение этих токов (точнее законов их изменения). Такое перемножение называется модуляцией, когда сигнал частотой F изменяется по величине пропорционально сигналу с (меньшей) частотой f. Все это описывается уравнением:

Здесь m – коэффициент модуляции, показывающий во сколько раз амплитуда модулирующего сигнала отличается от амплитуды несущей. В радиосвязи обычно 0< m <1. А в нашем случае m намного больше. Примерно можно считать, что

Модулированный сигнал состоит из 3-х частот: F-f, F, F+f. Первая и последняя называются боковыми полосами. Это давно доказано и изучено, это элементарная радиотехника.

Если выходной каскад работает в классе А, то m =0 (меньше нуля m не бывает). И действительно, при этом ток, потребляемый усилителем от источника питания неизменен, и никакой модуляции не происходит. При усилении в классе АВ или В ток каждого плеча выпрямителя – это ток одного полупериода выходного сигнала усилителя.

Весь ток представляет собой последовательность полупериодов частотой 25 Гц, причем только положительных – направление тока не важно, оно все равно коммутируется диодами. Смысл в том, что ток или потребляется, или нет. И именно по такому закону изменяется амплитуда тока сети – она либо увеличивается на пике сигнала, либо уменьшается.

Ток такой вот формы состоит практически из одной только второй гармоники усиливаемого сигнала. Для сигнала частотой 25 Гц 2-я гармоника равна 50 Гц. При модуляции образуются боковые частоты:

Очевидно, что одна разностная частота равна нулю – это и есть постоянная составляющая. Вот как выглядят осциллограммы этих токов:

Я так подозреваю, что эти все формулы тоже могут быть не совсем точными: либо m вычисляется не совсем так, либо его нельзя применять вот так “в лоб”. Так что вполне возможно, что реальный постоянный ток может быть как в 3 раза больше, чем вычисленный по формулам, так и в 3 раза меньше. Мне это не важно – я же не диссертацию тут пишу! Главное, что физика процесса показана верно, и понятно что откуда и почему берется. Должен заметить, что поскольку про подмагничивание было известно более 10 лет назад, то вся теория наверняка существует. Для меня здесь важны только 2 вещи:

1. Подмагничивание постоянным током реально существует
2. В реальной работе по воспроизведению звукового сигнала об этом подмагничивании можно не беспокоиться.

Теперь по поводу тороидальных трансформаторов. Мощность трансформатора никак не связана с сопротивляемостью подмагничиванию (т.к. мощность определяется толщиной проводов обмоток), поэтому увеличение мощности практически ничего не даст. Практически – потому что если взять трансформатор с мощностью больше, чем требуется, то в отсутствии подмагничивания он будет работать с недогрузкой и греться меньше нормы. Поэтому у него будет немного больше запас по допустимому нагреву при подмагичивании. Однако, рост тока первичной обмотки происходит настолько сильно, что этот запас по мощности будет заметен только если мощность трансформатора раз в 10 превосходит номинальную.

Отсутствие зазора в сердечнике ситуацию ухудшает, но не так сильно, как обычно считают – в броневых и стержневых трансформаторах зазор достаточно мал, и в реальности разница между таким маленьким зазором и его полным отсутствием малозаметна.

Гораздо лучшие результаты дает снижение рабочей индукции трансформатора, но это тоже не выход – индукцию снизить в 2…3 раза нереально, а снижение индукции в меньшей степени не спасет.

Но на самом деле со всем этим можно не заморачиваться – на реальном сигнале если подмагничивание и произойдет, то несильно и кратковременно, так что ничего плохого не случится. Так же, как и кратковременное наличие частоты 25 Гц при тестировании колонок свип-синусом.

05.09.2010

Total Page Visits: 139 — Today Page Visits: 2

Закон сохранения энергии

Следует понимать, что данный агрегат не берет энергию из ниоткуда. Для примера возьмем трансформатор с напряжением первичной обмотки 220 В и током 5 А. Это значит, что его мощность составляет 1100 Вт. Со вторичной обмотки на 22 В мы сможем снять ток не более 50 А. Переведя в ватты, получаем те же 1100 Вт. Больше мощности со вторичной обмотки мы не снимем. При попытке это сделать устройство просто выйдет из строя. Таким образом, становится ясно, для чего служит трансформатор. Для преобразования переменного напряжения в постоянное. Далее расскажем подробнее о каждом виде таких устройств.

Характеристики закалочных трансформаторов

Параметр/ Модель ТЗ	СЧТЗ-500	СЧТЗ-800	ВЧТЗ-1500-16	ВЧТЗ-1500-32
Тип сердечника	Трансформаторная сталь		Феррит
Рабочий диапазон частот, кГц	1-12	1-12	25-60	10-60
Максимальная мощность ТВЧ установки, кВт	50-75	80-120	30-160	30-160
Площадь сердечника, кв. см.	93	119	79	124
Количество витков первичной обмотки, шт.	8-34	8-34	8-42	8-38
Количество витков вторичной обмотки, шт.	1,2	1,2	1,2	1,2
Максимальное входное напряжение, В	750	750	500-3000	500-3000
Максимальный входной ток, А	107-975	340-1200	70-280	70-280
Максимальный выходной ток, А	2950-11750	3567-11950	1120-2380	1120-2380
Габариты, мм	500*400*450	500*400*480	600*450*400	720*550*500
Вес, кг	100	135	90	120

Измерительные трансформаторы

Такие приборы служат для снижения величин до приемлемых для измерительных приборов. Применяются они в контрольно-измерительных приборах. Также можно встретить такие устройства в микропроцессорной технике. Там они работают как датчик, который посылает сигналы разного уровня на плату, в зависимости от чего последняя «принимает решение» о дальнейшем функционировании прибора.

Как правило, они обладают высокой точностью и не предназначены для питания потребителей. Примерами, для чего служат измерительные трансформаторы, могут быть приведенные ниже устройства для преобразования тока и напряжения. Мы постараемся максимально подробно объяснить их назначение.

Трансформаторы тока

Для чего служат подобные устройства? Они предназначены для снижения величины тока до приемлемой измерительным оборудованием. По сути, они являются промежуточным оборудованием между проводниками, с которых необходимо снять значение величины, и измерительным механизмом. Применяются такие трансформаторы, как уже было ранее сказано, в измерительных приборах, оборудовании защиты и автоматике. Подключаются же они таким образом: первичная обмотка имеет несколько витков и включается последовательно нагрузке, а вторичная — на минимально возможное сопротивление защитного или измерительного оборудования.

Обычно такие трансформаторы поставляются вместе с самим оборудованием, так как незначительные изменения в сопротивлении нагрузки повлияют на точность измерений, а оборудование защиты не будет работать должным образом. Конструктивная особенность и способ подключения таких приборов делают невозможным питание потребителя.

Трансформаторы для дуговой электросварки

Понижающий однофазный специальный трансформатор, способный преобразовать напряжение сети 220 либо 380 В до необходимых для горения электрической дуги 60-70 В. Поскольку сопротивление электрической дуги минимально, работа сварочного инвертора осуществляется в условиях, максимально приближенных к короткому замыканию. В связи с этим ко вторичной цепи трансформатора последовательно подключен дроссель с подвижным сердечником для ограничения величины тока. Величина сварочного тока и индуктивного сопротивления дросселя может корректироваться посредством изменения в магнитной цепи величины воздушного зазора.

Трансформаторы напряжения

Этот вид устройств не применяется для питания потребителей, а необходим для создания гальванической развязки между высоковольтной и низковольтной частью. Метод изготовления ничем не отличается от силовых видов устройств с аналогичным названием. Все так же имеется первичная и вторичная обмотки, сечение провода довольно низкое, что не позволяет использовать его для питания потребителей.

Для примера возьмем киловольтметр. Дело в том, что соорудить прибор, который бы держал высокое напряжение, слишком накладно. Поэтому между измерительными щупами, которые снимают значение величин, и прибором устанавливается трансформатор напряжения. Он преобразует высокие величины до приемлемых измерительным механизмом (примерно 100 В). Такая мера позволяет не вносить изменения в измерительный механизм. В некоторой степени такая схема подключения позволяет обезопасить электрика, который проводит замеры.

Также их применяют для установки в различные автоматизированные системы управления и защиты. Теперь вы знаете для чего служат трансформаторы напряжения. Перейдем к следующему типу – сварочным устройствам с одноименным названием.

Ключевые отличия между трансформаторами

Главное отличие между трансформатором напряжения и трансформатором тока кроется в том, какую роль играют эти устройства в рамках электрической сети и для каких целей их туда устанавливают.

Устройство для тока сосредоточено на защите и гарантировании точности. Эти две вещи критически необходимы в проведении измерений и при обслуживании сетей. По этой причине отказаться от использования трансформатора тока просто невозможно, и он обязательно должен присутствовать.

Вместе с тем трансформатор напряжения никак не связан с измерениями, проверками, а также тонкостями технического обслуживания приборов. Он относится напрямую к их эксплуатации. Сегодня привести электросеть в рабочее состояние без него просто нереально. Смена силы напряжения с повышенной на пониженную критически необходима. Именно трансформатор напряжения позволяет использовать повсеместно одну универсальную электрическую сеть вне зависимости от того, какую технику вы собираетесь подключать. Это могут быть промышленное оборудование. Бытовые устройства и прочие приборы – сеть сможет питать всю технику без нанесения повреждений.

При этом необходимо обратить внимание на угрозу, которая способна исходить от каждого из трансформаторов. Вернее, угроза кроется в отсутствии или неисправности трансформаторов. Без трансформатора напряжения ваша сеть перестанет регулироваться и многие подключенные к ней устройства могут просто «сгореть» из-за слишком высокого уровня напряжения, либо просто отключаться по причине слишком низкой мощности сети.

Силовые трансформаторы

Это более мощные устройства, которые многие из вас видели. Далее подробно расскажем, для чего служат силовые трансформаторы. Они нужны для повышения/понижения напряжения посредством электромагнитной индукции до той величины, которая необходима потребителю. В случае с данными устройствами под словом “потребитель” подразумеваются производства и жилые дома.

Самым ярким примером служат устройства, которые понижают 6(10) кВ до приемлемых 380 В, которые уже отдельно взятой фазой в совмещении со средней линией питают наши дома необходимыми 220 В. А пример такого повышающего трансформатора можно встретить в микроволновке, где тот из сетевых 220 В делает необходимые для работы магнетрона 2 кВ. Высоковольтные агрегаты (свыше 1000 В) почти всегда трехфазные, и их подразделяют на устройства масляного или воздушного охлаждения, а также по климатическому исполнению и по напряжению первичной обмотки.

Особенностью трехфазных трансформаторов является то, что в зависимости от включения обмоток (звезда-треугольник) можно изменять рабочее напряжение в 1,73 раза. Допустим, данный агрегат, соединенный треугольником на 6 кВ, может работать в сети 10 кВ, если, конечно, производитель позаботился о такой возможности со стороны изоляции. Бывают такие трансформаторы, как выше указанно, трехфазные и однофазные. Предназначены устройства для работы с различными мощностями в зависимости от нужд потребителя.

Однофазные трансформаторы, которые раньше использовались как блоки питания, сейчас активно вытесняются различными электронными преобразователями, которые обладают большим КПД, меньшим весом и габаритами. Также силовые устройства можно подразделить по типу исполнения магнитопровода на стержневые и броневые.

Трансформатор со стержневым магнитопроводом устроен таким образом, что на П-образную деталь устанавливают на 2 катушки, а сверху замыкают ярмом. Преимуществом является то, что элементы фактически не соприкасаются друг с другом.

В броневом магнитопроводе катушка устанавливается на Ш-образную деталь. Секция, на которой находятся проводники, обычно сначала наматывается как первичная, а затем, через термостойкий разделитель, как вторичная. Преимуществом является усиленная механическая защита обмоток.

Также существуют тороидальные сердечники, но они выполняются из ферритовых колец, т. к. сооружать такую конструкцию из шихтованного магнитопровода накладно. Такие агрегаты обычно применяются в электронике и работают на высоких частотах.

Разделительные трансформаторы

Специальные разделительные трансформаторы широко применяются в областях, требующих принятия дополнительных мер безопасности при работе с электроинструментом. Они используются в медицинском оборудовании, где требуется непосредственный контакт с телом человека.

В целях обеспечения электрической безопасности на общем магнитопроводе размещаются две обмотки идентичной конструкции, что позволяет получать на выходе такое же напряжение, как и на входе.

На корпусе прибора в случае пробоя изоляции провода формируется потенциал, который может поразить человека и стать причиной электротравмы. Оптимальное использование питания электрооборудования возможно при гальваническом разделении схемы, при этом оно одновременно исключает вероятность получения электротравмы в случае пробоя вторичной схемы изоляции на корпус.

Сварочные трансформаторы

Для чего служат подобные устройства? По сути, они являются самостоятельными агрегатами. То есть сварочный трансформатор — это не обвязка, обеспечивающая работу какого-либо устройства, а он сам является полноценным прибором. Назначение такого аппарата — это понижение сетевого напряжения до сравнительно низкого, примерно 50-60 В, и обеспечение большого тока.

При таком напряжении пробивает довольно короткая дуга, но поистине огромный ток обеспечивает ей большую мощность. Благодаря последнему параметру осуществляется сварка или резка металла.

Такие трансформаторы, как правило, имеют подстройку тока. Это необходимо для изменения диаметра и типа сварочного электрода. Правда, сварочные трансформаторы для бытового использования все больше вытесняются инверторами. Что не удивительно, ведь у сварочного преобразователя КПД ниже. Он сильно сажает сетевое напряжение, потребляя большие токи на первичную обмотку, обладает большим весом, низкой мобильностью, довольно сильно нагревается по сравнению с аппаратами инверторного типа.

Теперь вы знаете, как работает и для чего служит сварочный трансформатор.

Согласующий

Трансформатор данного типа применяется в различных многокаскадных схемах для согласования сопротивления между различными частями схемы. Можно встретить его в ламповом звуковом усилителе. Обычно в таких устройствах он является выходным.

Так для чего же служит трансформатор согласования с нагрузкой? Например, рабочее напряжение ламп в усилителе звуковых частот составляет 70-90 В, но ток мизерный. На динамики такое напряжение подавать нельзя, значит, его понижают до допустимого напряжения и, соответственно, ток повышается.

Целью такого трансформатора является понижение напряжения или повышение до значения, необходимого определенному узлу аппарата.