Трансформатор: какво е, принцип на работа, видове и приложения

Трансформаторът е устройство, което прехвърля електрическа енергия от една електрическа верига в друга чрез взаимна (електромагнитна индукция) и без промяна на честотата. Трансформаторите са важна част от електрическите системи.

Трансформаторите се произвеждат в много различни размери - от много малък свързващ трансформатор в сценичен микрофон до големи устройства с мощност стотици MVA, които се използват в електрическите мрежи.

Основната причина за използването на трансформатор е превръщането на енергия от едно ниво на напрежение в енергия от друго ниво на напрежение. Високото напрежение е по-лесно за изпращане на голямо разстояние, но по-ниското напрежение е по-лесно и безопасно за използване в офиса или у дома. Трансформаторите се използват за увеличаване или намаляване на напрежението на променливия ток (AC) във веригите. Трансформаторът обикновено е изграден с две намотки около една и съща сърцевина. Първичната намотка или входната намотка е свързана към захранващата страна, докато вторичната намотка подава енергия към товара. Втората намотка се нарича изходна намотка. Енергията се пренася от първичната към вторичната намотка чрез електромагнетизъм. В електрическите мрежи се използват много трансформатори. Това са мрежи за доставка на електроенергия от генератора и до потребителя.

Трансформаторите във вашия квартал, на електрическите стълбове или тези, които са свързани с подземни кабели, обикновено преобразуват високото напрежение от 7200 волта в 220-240 волта електроенергия за захранване на осветлението и уредите, като например хладилниците, в домовете и предприятията. В някои страни, като Америка, се използват различни напрежения в домовете, например 120 волта. Трансформаторите не могат да увеличават мощността, така че ако напрежението се повиши, токът пропорционално се понижава. Ако напрежението се понижи, токът пропорционално се увеличава.

Трансформаторите в електронното оборудване осигуряват необходимата електроенергия за различните части.

Съществуват няколко основни типа трансформатори:

Принцип на работа

Трансформаторът работи на основата на закона на Фарадей за електромагнитната индукция. Когато в първичната намотка тече променлив ток, в сърцевината се създава променливо магнитно поле. Това променливо поле индуцира напрежение във вторичната намотка. При идеален трансформатор няма загуба на енергия и мощността, подадена на първичната намотка, е равна на мощността, взета от вторичната:

• Отношение на напреженията: V1 / V2 = N1 / N2, където V са ефективните стойности на напреженията, а N са броевете навивки (завивки) на намотките.
• Отношение на токовете: I1 / I2 = N2 / N1 (токът е обратно пропорционален на броя на навивките).
• Приблизителна мощност: P1 ≈ P2 (в практиката има загуби и P2 е малко по-малка).

Важно: трансформаторът прехвърля само променлив ток (AC) — постоянен ток (DC) не може да премине и няма да индуцира напрежение във вторичната намотка.

Ключови характеристики

• Коефициент на трансформация (отношение на намотките): определя дали напрежението ще се повиши (повишаващ трансформатор) или понижи (понижаващ трансформатор).
• Номинално напрежение и ток: стойностите, за които е проектиран трансформаторът.
• Честота: трансформаторите работят на определена честота (напр. 50 Hz или 60 Hz); при промяна на честотата се променят магнитните загуби и размерите на сърцевината.
• Фаза и полярност: при многонаровни трансформатори (например трифазни) се използват различни свързвания (Y, Δ и др.), а знаците (dot notation) указват фазовото взаимоотношение между намотките.

Видове трансформатори

Някои от най-често срещаните типове:

• Мрежови и разпределителни трансформатори: големи трансформатори в подстанции и на стълбове, които променят напрежението между генераторните и потребителските нива.
• Силови трансформатори: за пренос и разпределение на големи мощности (MVA клас).
• Автотрансформатори: имат обща намотка с изведен tap; по-компактни и евтини, но не осигуряват галванична изолация.
• Изолационни трансформатори: мяра за безопасност — отделят галванично вход и изход, използвани в чувствителна апаратура и за защита.
• Трансформатори за измерване: токови трансформатори (CT) и напреженови/потенциални трансформатори (PT/VT) — за измерване и защита в енергийни системи.
• Тороидални трансформатори: с пръстеновидна сърцевина — компактни, разсейват по-малко магнитни загуби и шум.
• Аудио трансформатори и трансформатори за RF: специфични за честотни диапазони, използвани в аудиоапаратура, предаватели и радиочестотни вериги.
• Пулсни трансформатори: за вериги с бързи импулси (напр. захранващи SMPS), където са важни индуктивности и паразитни капацитети.
• Маслени (масло-потопени) и сухи трансформатори: маслените използват минерално или синтетично масло за изолация и охлаждане; сухите са с епоксидно покритие или вентилирани.

Загуби и ефективност

В практиката трансформаторите не са идеални и имат различни загуби:

• Ядрените загуби: хистерезисни и вихрови токове (eddy currents) в магнитната сърцевина; зависи от материала и честотата.
• Загуби в намотките: активна (медни загуби = I^2R) и реактивна (заради индуктивност и капацитети).
• Загуби при магнитно разсейване и течения във въздуха: свързани с конструкцията и намагнитване извън сърцевината.

Големите трансформатори имат висока ефективност — често над 98–99% при номинално натоварване, но ефективността пада при леко натоварване.

Конструкция и охлаждане

Основни части: магнитна сърцевина (често ламинирана за намаляване на вихровите токове), първична и вторични намотки, изолация и корпус. За охлаждане се използват:

• Въздушно охлаждане (AN / OA) – за малки трансформатори.
• Натрупан въздух / вентилатори (AN / AF) – при по-големи натоварвания.
• Масло (ONAN, ONAF, OFAF и др.) – при големи маслени трансформатори за ефективно топлоотвеждане.

Защита и поддръжка

За безопасност и дълготрайност трансформаторите се оборудват с различни защитни механизми:

• Buchholz-реле (за маслени трансформатори) — открива газове и краткотрайни вътрешни проблеми.
• Преградни клапани за налягане, температурни сензори, ниворегулатори и филтри за влага.
• Прекъсвачи, защитни релета и прекъсвачи за пренапрежение (surge arresters).
• Редовна поддръжка: проверка на маслото, изолацията, механичните връзки и параметрите при натоварване.

Приложения

Трансформаторите се използват навсякъде в електроенергетиката и електрониката:

• Пренос и разпределение на електроенергия (генератор → високо напрежение → средно/ниско напрежение → потребител).
• Захранване на домакински уреди и офис техника (локални разпределителни трансформатори).
• Електронни захранвания и адаптери (осигуряване на изолация и подходящо напрежение за платки).
• Измервателни уреди и защитни вериги чрез токови и напреженови трансформатори.
• Индустриални приложения: мотори, заваряване, инвертори, преобразуватели и др.
• Аудио техника, медицинско оборудване (изолация и филтриране на смущения).

Практически съвети и безопасност

• При работа с трансформатори винаги следвайте правилата за електробезопасност: изключен захранващ източник преди работа, използване на подходящи защитни средства и заземяване.
• Проверявайте изолацията и състоянието на клемите редовно, особено при маслени трансформатори — за наличие на влага или замърсяване.
• Не използвайте трансформатор извън неговите номинални параметри (напрежение, ток, честота), защото това ускорява деградацията и може да доведе до повреди.

Трансформаторите са ключов елемент за ефективно и безопасно разпространение на електроенергията — от големи трансформатори в електропреносната мрежа до малки трансформатори в електронните устройства.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява трансформаторът?

В: Коя е основната причина за използването на трансформатор?

В: Как трансформаторите пренасят енергия?

В: Къде се използват трансформаторите в електрическите мрежи?

В: Как трансформаторът регулира нивата на напрежението в домовете и предприятията?

В: Могат ли трансформаторите да увеличат мощността?

В: Кои са някои основни видове трансформатори?

Търсене по буква