Transformer?

..ЯК ПРАЦЮЄ ТРАНСФОРМАТОР (ВЗАЄМОІНДУКЦІЯ) 

HOW A TRANSFORMER WORKS (MUTUAL INDUCTION)..

Read English

В електротехніці існує пристрій, який перетворює електроенергію з одного рівня напруги на інший, вищий або нижчий. Цей прилад працює при змінному струмі або в імпульсному режимі.

Трансформатор (від лат. transformo — перетворювати) — пристрій для перетворення параметрів (амплітуд і фаз) напруг і струмів.
Трансформатор — статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або кількох систем (напруг) змінного струму в одну або декілька інших систем (напруг) змінного струму без зміни частоти системи (напруги) змінного струму.
Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. На високій напрузі й з малою силою струму передавання електроенергії відбувається з меншими втратами. Тому, зазвичай лінії електропередач є високовольтними. Водночас побутові й промислові машини вимагають великої сили струму й невеликої напруги, тож перед споживанням електроенергія перетворюється на низьковольтну. Трансформатори знайшли застосування також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.
Коефіцієнт корисної дії сучасних трансформаторів, особливо підвищеної потужності, вельми високий і досягає значень 0,95…0,996.

1831 року англійським фізиком Майклом Фарадеєм під час проведення ним основоположних досліджень було відкрите явище електромагнітної індукції, що лежить в основі принципу роботи електричного трансформатора.

Вперше трансформатори, як такі були продемонстровані в 1882 році, хоча ще в 1876 році Яблочков П. М. запатентував (патент Франції № 115793 від 30 листопада 1876 року) аналогічний пристрій для створених ним освітлювальних пристроїв — «свічок Яблочкова». Це був трансформатор з розімкнутим осердям, у вигляді стрижня, на який намотувались обмотки.
У 1885 р. угорські інженери фірми «Ganz factory» Отто Блаті, Каролі Зіперновскі і Мікша Дері винайшли трансформатор із замкнутим магнітопроводом, що зіграло важливу роль у подальшому розвитку конструкцій трансформаторів.
Велику роль для підвищення надійності трансформаторів зіграло застосування масляного охолодження (кінець 1880-х років, Джордж Свінберн). Свінберн розташовував трансформатори у керамічних посудинах, заповнених оливою, що суттєво підвищувало надійність ізоляції обмоток.
Винахід трансформатора був важливим фактором у так званій війні струмів — конкурентній боротьбі за те, який електричний струм, постійний чи змінний ефективніший для масового користування.
З винайденням трансформатора виник технічний інтерес до змінного струму. Електротехнік польсько-російського походження, випускник одеського реального училища (1878 рік) — Михайло  Доливо-Добровольський 1889 року розробив для німецької фірми «Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft» перший трифазний трансформатор. На електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні 1891 року пан Доливо-Добровольський представляв дослідне високовольтне електропередавання трифазного струму на відстань 175 км. Трифазний генератор мав потужність 230 кВт за напруги 95 В.

Трансформатор - статичний електромагнітний пристрій, призначений для перетворення змінного електричного струму однієї напруги та певної частоти на електричний струм іншої напруги та тієї самої частоти.
Робота будь-якого трансформатора заснована на явищі електромагнітної індукції, відкритому Фарадеєм. Трансформатори бувають: Трансформатори бувають: Силові; Автотрансформатори; Трансформатори струму; Трансформатори напруги; Імпульсні; Розділові; Узгоджувальні; Пік-трансформатори; Здвоєний дросель.  Конструкція трансформатора передбачає наявність однієї або більшої кількості окремих котушок (стрічкових або дротяних), що знаходяться під єдиним магнітним потоком і накручені на сердечник, виготовлений із феромагнетика. 

Малюнок 1

 

Ми зосередимось на питанні як це працює.

Принцип роботи будь-якого силового трансформатора полягає у явищі електромагнітної індукції. На первинну обмотку подається змінний струм, який утворює в магнітопроводі змінний магнітний потік. Це відбувається за рахунок його замикання на магнітопроводі та утворення зчеплення між обмотками, індукуючи ЕРС. Формула трансформаторної ЕРС: E = 4.44Φf
Принцип роботи трансформатора. Робота трансформатора заснована на двох базових принципах: Електричний струм, що змінюється в часі, створює магнітне поле, що змінюється в часі (електромагнетизм). Зміна магнітного потоку, що проходить через обмотку, створює ЕРС у цій обмотці (електромагнітна індукція E = - ∆ Φ/∆t ).

Принцип роботи трансформатора основан на принципі взаємної індукції. Взаємоіндукція (взаємна індукція) — явище виникнення ЕРС індукції в одному контурі за зміни сили струму в другому контурі і навпаки. Взаємоіндукція — окремий випадок електромагнітної індукції. Явище взаємоіндукції застосовується для підвищення та зниження напруги змінного струму в трансформаторах.

Як трансформатор працює простими словами?  Принцип роботи трансформатора, це коли на первинну обмотку трансформатора подається змінний струм, навколо обмотки утворюється магнітне поле. Оскільки подається змінний струм, що змінює напрямок кожну половину циклу, щомиті відбувається багаторазове розширення та зникнення магнітного поля. Найпростіший трансформатор (малюнок 1) складається з двох обвиток на спільному осерді. Одна з обвиток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обвитка називається первинною. Інша обвитка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обвитці змінний магнітний потік викликає появу ЕРС у вторинній обвитці, оскільки обидві обвитки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обвитці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обвитках. У зразковому випадку Us/Up = Ns/Np = Is/Ip, де індексом [p] позначені величини, що стосуються первинної обвитки, а індексом [s] — відповідні величини для вторинної обвитки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму. Таким чином, перетворення напруги й сили струму в трансформаторі визначається кількістю витків у первинній та вторинній обвитках. Напруга пропорційна кількості витків, тоді як сила струму обернено пропорційна їй.

Я не буду розбирати докладно академічні викладки, але фізика роботу трансформатора пов'язує з виникненням ЕРС у другому контурі (обмотці) за умовами зміни Струму в первинному контурі (обмотці) і зміни магнітного потоку в осерді трансформатора. Чи так це насправді, ми розглянемо далі. Крім електромагнітної індукції та взаємоіндукції, є таке явище самоіндукція.  Фактично самоіндукція це ніби "вихід енергії від котушки, в якій накопичено, а точніше індуковано магнітне поле". Дуже нагадує "вихідну частину дії" з трансформатора. Вибачте за сленг, але назвемо по-дитячому дію, яку нам потрібно розглянути.  У 1886 році Вільям Стенлі отримав патент US349611 на індукційну котушку з двома обмотками, намотаними шарами одна поверх іншої на кільцевий металевий сердечник.  У принципі це намотування не змінилося донині.

Ми візьмемо за основу одну обмотку на кільцевому осерді, оскільки індукційна котушка Майкла Фарадея мала ту саму топологію. Розглянемо два епізоди: збудження магнітного поля (що аналогічно первинній обмотці трансформатора), і явище самоіндукції цієї ж обмотки під час відключення від джерела струму, у нашому випадку гальванічного джерела (Е+).

На першому малюнку, епізод збудження котушки і магнітного потоку в осерді від джерела напруги гальванічної батареї. Щоб зрозуміти, що зображено на малюнку, потрібно розуміти, що в ланцюзі діючий вектор електричної напруженості [Е, U (V)] спрямований від плюсового електрода батареї (+) до мінусового електрода (-), а вектор сили струму [ I (A)] спрямований завжди від негативного електрода до позитивного.   У дроті, який під'єднано до джерела напруги (батареї) і обвиває витками сердечник, формується магнітний потік, напрямок якого визначається за правилом правої руки (буравчика або гвинта з правою різьбою). Напрямок магнітного потоку в осерді буде збігатися з напрямком магнітної індукції обмотки.  У цьому випадку котушка є навантаженням зі своїм опором [R].  У вікні осердя на відрізках витків формується вектор електричної напруженості ЕРС [E] і вектор Сили Струму [I], які перебувають в опозиції. Нічого власне нового для тих, хто вивчав фізику детально, я не вказав. Так само працює збудження первинної обмотки трансформатора, наприклад змінного струму або імпульсного.  У джерелі напруги вектор сили струму спрямований від плюса до мінуса. Я не буду вступати в дебати, куди спрямований вектор струму, і в курсі, що традиційно прийнято рахувати від "+" до "-", але ми не роман пишемо, а розбираємося за принципом дії. Тому застосовую не загальноосвітню догму, а реальність, яку використовують конструктори.

На другому малюнку епізод самоіндукції котушки на кільцевому осерді на навантаження - лампочку.  У нашій схемі передбачено ще один контур (ланцюг) із навантаженням у вигляді лампочки. Для того щоб струм не протікав по ньому, в період збудження в ланцюзі передбачено діод, орієнтацію катода/анода виконано таким чином, що цей ланцюг для струму від джерела замкнено. У момент розмикання вимикача в ланцюзі з джерелом напруги відбуваються цікаві перетворення.   Електрична напруженість ЕРС різко змінює орієнтацію щодо витків у дроті. На клемах котушки з'являються різні знаки, завдяки чому діод відмикається і ланцюг замикається через навантаження - лампочку. У цій позиції обмотка на сердечнику стає джерелом електричної напруженості. Вектор, сили струму свого напряму не змінює. Вже всередині котушки напрямок сили струму від "+" до "-", як був у минулого епізоді з гальванічною батареєю. Для лампочки напряму електричної напруженості та сили струму стають аналогічні позиції котушки у минулому епізоді. Головна деталь, це вектор електричної напруженості ЕРС, всередині вікна осердя. Для зовнішнього ланцюга ураження електричної напруженості буде якраз у зворотному векторі. Але якщо розбирати тільки джерело, то сила струму і вектор електричної напруженості всередині стільника,  як в батареї, так і в нашій котушці. Думаю, що ви на цей момент ніколи не звертали уваги. Мало того, даний момент в дії, повністю відповідає закону електромагнітної індукції, тільки з максимальної досягнутої точки насичення сердечника (гістерезис максимум). З цієї точки і починає формуватися ЕРС індукції на падінні магнітного насичення. Таким чином мірність ЕРС залежить саме від магнітної індукції в сердечнику [Bm] та його перерізу [S]. Звідси і формула ЕРС електромагнітної індукції:

E = - ∆Φ/∆t = - ∆(Bm*S)/∆t, або можно припустити що теж вірно E = 2.22Φf. 

Ви мені поспішайте вказати, що формула ЕРС самоіндукції інша, і має вигляд : E = - L(∆ I/∆t).  Зазираємо до академічного джерела про індукцію (ФІЗИКА ДЛЯ БАКАЛАВРІВ. ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ (Явище електромагнітної індукції)), де прямо вказано, що формула електромагнітної індукції та самоіндукції тотожні:      E  =  - ∆ Φ/∆t  =  -  L (∆ I/∆t). 

Чому у вікні трансформатора, під час відключення обмотки збудження поля від джерела напруги, виникає ЕРС електромагнітної індукції, адже магнітні лінії провідник не перетинають, провідник перебуває у фокусі магнітного потоку, що змінюється? У фізиці так само описано явище АНАПОЛЯ:

АНАПОЛЬ (від грец. an - негативна частинка і polos - полюс), тороїдний диполь - система струмів, електромагнітне поле якої характеризується вектором анапольного моменту. Зміна анапольного моменту з часом призводить у загальному випадку до випромінювання системою електромагнітних хвиль. АНАПОЛЬ (тороїдний диполь), система струмів, магнітне поле якої цілком зосереджене всередині системи. 

При зміні магнітної напруженості H (магнітного потоку Ф) у фокусі проявляється вектор електричного поля Е. При накладенні на модель магнітного замкненого контуру, у фокусі якого прокладено провідник, маємо наведення індукції електричного поля, обмеженого об'ємом даного фокуса.  Таким чином, якщо просто в отворі замкнутого феромагнітного осердя, в якому змінюється анапольний момент магнітної напруженості H (магнітного потоку Ф), формується електричний момент, у фокусі даного осердя. За наявності у фокусі магнітного контуру провідника, на ньому проявляється різниця електричних потенціалів. Що власне і виходить у режимі дії самоіндукції - електромагнітної індукції.  Як це виглядає на малюнку,  застосовуємо правило правої руки й отримуємо підтвердження правильності нашого міркування.:

Виникло у вас до мене непорозуміння, навіщо нам самоіндукція, коли ми розглядаємо роботу трансформатора і він працює на явищі взаємоіндукції.  Тому що академічна фізика явище формування ЕРС у вторинній обмотці при взаємоіндукції розглядає як електромагнітну індукцію - самоіндукцію.  Зліва слайд з матеріалу у Вікіпедіїї, а праворуч наша замальовка на даних, які ми щойно розглянули.

 

Якщо прийняти правило, що вторинна обмотка працює за правилом самоіндукції - електромагнітної індукції, у нашому варіанті, який ми розглядаємо, йде повна невідповідність.   У мене невідповідність, які ми бачимо, нагадує колективне наукове запаморечення такого явища як взаємоіндукція.  Перше в різних витках у зоні вікна сердечника ми бачимо різно векторну електричну напруженість, що власне ми можемо пояснити так само електростатичною поляризацією провідника в електричному полі.  У такому разі позитивний знак електричного поля має бути наприкінці обмотки (початок обмотки вказано крапками), це збігається і з поляризацією явища самоіндукції.   Але найголовніше це вектор струмів у первинній і вторинній обмотці. Якщо в первинній обмотці (збудження магнітного потоку) все збігається з правилом правої руки, то напрямок струму вторинної обмотки цьому правилу суперечить. Друге, якщо ви проведете дослід, то позитивний знак електричної поляризації буде в обох проводів у точці початку обмоток. Ви мені не вірите, з цим розберемося пізніше. А поки що моя версія роботи трансформатора. Яке явище є основним у дії взаємоіндукції? Я думаю, що міжпровідний "ємнісний" зв'язок (назвемо його так) і потокозчеплення магнітних вихрових полів навколо провідника. Магнітне поле сердечника, у фокусі підсилює "ємнісний" зв'язок і потокозчеплення. Таким чином магнітне поле сердечника жодним чином не формує ЕРС у вторинній обмотці (це можна сказати нав'язана теорія абсурду академічної науки). Досить розрахувати ЕРС вторинного контуру, за формулою трансформаторної ЕРС.  Ще один момент, це якщо в осерді застосувати повітряний проміжок, але параметр магнітної індукції в осерді різко знизиться, параметр струму в первинній обмотці зросте і відповідно струм вторинної обмотки так само зросте. Такий прямий доказ, що магнітний потік сердечника не може формувати ЕРС у вторинній обмотці. Таким чином, позитивний потенціал з одного боку дротів у вікні транасформатора, можемо пояснити цим явищем. Далі, потік зчеплення сили струму і магнітної індукції, між дротами обмоток.

Сила Току та Магнітна індукція навколо провідника є одним і тим самим явищем, тільки в різних системах вимірювання: Електрична ситема - Сила Току (Ампери); Магнітна система -  Магнітна індукція (Тесли).  Ближче до принципу дії стоїть магнітна система виміру. Сила струму в електричних ланцюгах проявляється саме дія магнітної індукції. (Детально у моїй роботі "ЕРС і СТРУМ"). Якщо прийняти цей факт за основу, дуже добре пояснюється магнітне потокосцепление з урахуванням ємнісної взаємодії. З курсу фізики ми знаємо чому відштовхуються чи притягуються провідники зі струмом. Причина вектор Магнітна індукція і сила Ампера. 

Ми знаємо що якщо сила струму має загальний напрям у проводах, то магнітна індукція обох проводів посилюється, що негайно позначилося б на магнітному потоці в сердечнику. У трансформаторі магнітний потік дорівнює магнітної напруженості первинної обмотки, яка формує магнітний потік. Також ми знаємо, що сила струму в обмотках трансформатора має протилежний напрямок. На малюнку вище, де сила струму має протилежний напрямок, електрична поліризація також має протилежну орієнтацію. Припустимо, що два дроти поміщені паралельно в магнітне поле, яке формує один із провідників підключений до джерела напруги (у вікні трансформатора всі дроти первинної та вторинної обмоток паралельні). Другий провід полючений до навантаження. Ми бачимо, що може відбуватися тільки одна електрична "ємнісна" поляризація вторинного провідника від первинного, і формування потокозчеплення магнітних полів (струмів). Фактично це один ланцюг, джерело "бачить" навантаження з урахуванням втрат на взаємодію потокозчеплення. Є ще один момент, це ввімкнення джерела з індукованою ЕРС у ланцюг із навантаженням. Таке джерело і його ввімкнення належить до категорії "Генератора струму". Що це означає, можете ознайомитися в матеріалі "ЕРС і СТРУМ", а трансформатори розраховують у пропорції: у зразковому випадку Us/Up = Ns/Np = Is/Ip, де індексом [p] позначені величини, що стосуються первинної обвитки, а індексом [s] — відповідні величини для вторинної обвитки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму. Таким чином, перетворення напруги й сили струму в трансформаторі визначається кількістю витків у первинній та вторинній обвитках. Напруга пропорційна кількості витків, тоді як сила струму обернено пропорційна їй. 

 

Практичне підтвердження!

У свій час я робив схему для десульфації кислотних акумуляторних батарей. Мета була створити реверсний імпульсний струм при розряді батареї для створення умов десульфації пластин. Як працює схема? У період вмикання транзистора первинна обмотка збуджується і трансформатор формує магнітний потік у сердечнику. У вторинної обмотці з мінімальним струмом, через великий опір на світлодіоди, формується імпульс взаємоіндукції. Серцем управління є однотивібратор на 555 таймері. Після вимикання імпульсу збудження, спрацьовує система формування імпульсу самоіндукції. Тільки первинний контур замкнений для протікання струму, у ній формується електрична поляризація з великим параметром напруги. Транзистор потрібний високоальтний. А ось вторинна обмотка, завдяки діоду VD2, замикається в ланцюг з батареєю, яка в даному епізоді стає навантаженням. Імпульс самоіндукції, який формується в даній обмотці, розряджається в батарею. Після завершення імпульсу самоіндукції по ланцюгу, через вторинну обмотку, струм від батареї проходить до оптопари і включає наступний імпульс збудження та самоіндукції. І все повторюється. Дана схема найнаочніший приклад, як працює трансформатор, який підтверджує наші висновки. Нижче фото зібраної схеми та осцилограма струму, яка знімалася з резистора 1 Ом, включеного у ланцюг, до мінусової клеми батареї.  Блакитним коляром  - імпульс збудження, жовтим коляром - імпульс самоіндукції.

*

Висновок, напрошується сам собою. Тансформатор у режимі взаємоіндукції не може перевищити коефіцієнт перетворення вище одиниці. Для того щоб побудувати машину, де відбуватиметься генерування з перетворенням, вищим за одиницю, потрібно вторинну обмотку змусити працювати в режимі генератції на ефекті електромагнітної індукції.  Поки у вікні сердечника домінуватиме електрична напруженість від котушки збудження в змінному режимі, отримати у вторинному контурі ЕРС індукції неможливо. 

Необхідно, щоб напрямки векторів напрямків магнітних індукцій (магнітних потоків) у сердечнику магнітного ланцюга були співспрямовані, від джерела збудження і вторинної (колекторної обмотки). У такому разі ми отримаємо якраз генераторний ефект роботи конвектора.  На малюнку приклад співвідношення шуканих напрямків поля в найпростішому електромагнітному генераторі зі збудженням від постійного магніту і в трансформаторі, зі збудженням від змінного електромагніту.

Відповідна тема для обговорювання на форумі: Трансформатор / Transformer - Over Unity Ukraine (do.am)

Оригінал статті: http://ua-hho.do.am/index/transformer/0-44

 місто Київ, УКРАЇНА
З повагою, Серж Ракарський!