Трансформаторы практически используются во всех электронных устройствах, и их принцип работы прост. Однако процесс намотки трансформаторов может иметь различные требования в зависимости от сценариев применения (различных целей использования). Основные функции трансформаторов: преобразование напряжения; преобразование импеданса; гальваническая развязка; стабилизация напряжения (трансформаторы с магнитным насыщением) и др. Распространёнными формами магнитопроводов для трансформаторов являются Е-образные и С-образные магнитопроводы.
1. Основные принципы работы трансформаторов
Когда синусоидальное переменное напряжение U1 подаётся на оба конца первичной обмотки, в проводе возникает переменный ток I1, и генерируется переменный магнитный поток ф1, который проходит через первичную и вторичную обмотки по железному сердечнику, образуя замкнутую магнитную цепь. Во вторичной обмотке наводится взаимоиндуктивная ЭДС U2, а также поток ф1 индуцирует ЭДС самоиндукции E1 в первичной обмотке. Направление E1 противоположно направлению приложенного напряжения U1, но амплитуда E1 примерно равна амплитуде U1, что ограничивает величину тока I1. Для поддержания существования магнитного потока ф1 требуется определённое количество потребляемой электрической энергии, а сам трансформатор также имеет определённые потери. Хотя во вторичной обмотке в данный момент нагрузка отсутствует, в первичной обмотке всё же протекает некоторый ток, который мы называем «током холостого хода».
Если вторичная обмотка подключена к нагрузке, то во вторичной обмотке возникает ток I2, в результате чего создаётся магнитный поток ф2. Направление ф2 противоположно направлению ф1, поэтому они взаимно компенсируют друг друга и уменьшают общий магнитный поток в железном сердечнике, что приводит к снижению ЭДС самоиндукции первичной обмотки E1. В результате ток I1 возрастает, что указывает на тесную связь между первичным током и вторичной нагрузкой. При увеличении тока вторичной нагрузки ток I1 также возрастает, а магнитный поток ф1 увеличивается; при этом рост ф1 точно компенсирует магнитный поток, скомпенсированный ф2, чтобы общий магнитный поток в железном сердечнике оставался неизменным. Если пренебречь потерями трансформатора, можно считать, что мощность, потребляемая вторичной нагрузкой идеального трансформатора, равна электрической мощности, получаемой первичной обмоткой от источника питания с последовательным резонансом. Трансформаторы могут изменять вторичное напряжение путём изменения числа витков вторичной обмотки по мере необходимости, однако не могут изменить допустимое значение потребляемой нагрузкой мощности.
2. Потери трансформатора
Когда первичная обмотка трансформатора подключается к источнику питания, магнитный поток, создаваемый катушкой, проходит через железный сердечник. Поскольку сам железный сердечник также является проводником, в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля, индуцируется электрический потенциал. Этот электрический потенциал образует замкнутый контур на поперечном сечении железного сердечника и вызывает протекание тока, напоминающего водоворот, поэтому он называется «вихревым током». Такой «вихревой ток» увеличивает потери трансформатора и приводит к нагреву его железного сердечника, что вызывает рост температуры трансформатора. Потери, вызванные «вихревыми токами», называются «потерями в стали». Кроме того, для изготовления обмоток трансформаторов требуется значительное количество медного провода, обладающего электрическим сопротивлением. При протекании тока через это сопротивление потребляется определённая мощность, и такие потери часто преобразуются в тепло и рассеиваются. Мы называем эти потери «медными потерями». Таким образом, рост температуры трансформаторов в основном обусловлен потерями в стали и медными потерями.
Из-за наличия потерь в стали и меди в трансформаторах их выходная мощность всегда меньше входной мощности. Поэтому мы вводим параметр КПД для описания этого явления, где η = выходная мощность / входная мощность.
Трансформаторная продукция, выпускаемая компанией HV Hipot Electric Co., Ltd., включает: испытательные трансформаторы масляного типа серии YDJ, испытательные трансформаторы сухого типа серии GTB, испытательные трансформаторы с газонаполнением серии YDQ, измеритель мощности трансформатора HTRL-V, измеритель характеристик холостого хода и нагрузки трансформатора HTBS-V и др.