Принцип действия трансформатора

Принцип действия основан на явлении взаимоиндукции. Явление взаимоиндукции заключается в наведении ЭДС индукции в данном контуре при изменении тока в другом контуре.

Переменный ток, протекающий по первому контуру, создает переменное магнитное поле с магнитным потоком Ф₁, этот магнитный лоток можно разложить на следующие составляющие:

.

Поток Ф пронизывает как первый контур, так и второй, т.е. является общим для обоих контуров, этот поток называется основным магнитным потоком или потоком взаимоиндукции.

Поток Ф (переменный) наводит ЭДС индукции как в первом, так и во втором контуре. e₁ – ЭДС самоиндукции первого контура, e₂ – ЭДС взаимоиндукции второго контура.

;

.

Часть потока Ф не попадает во второй контур, а связана только с первым контуром. Магнитный поток замыкающийся вокруг только одного контура называется магнитным потоком рассеяния и ЭДС индукции которую он наводит называется ЭДС рассеяния.

Если второй контур замкнут, то под действием ЭДС e₂ в нем будет протекать ток i₂ и в сопротивлении z_н будет выделяться мощность. Эта мощность передана из первого контура электромагнитным путем.

Ток i₂ будет учувствовать в создании магнитного потока Ф и создаст свой поток рассеяния связанный только со вторым контуром.

С ростом тока нагрузки возрастает ток вторичной обмотки, что приводит к возрастанию тока первичной обмотки, что в свою очередь приводит к возрастанию Ф₁ и Ф₂, однако, результирующий магнитный поток Ф останется постоянным и зависящим только от приложенного напряжения. Это происходит потому, что при появлении вторичного магнитного потока при подключении нагрузки суммарный магнитный поток должен уменьшиться, что привело бы к уменьшению E₁, которое уравновешивается приложенным напряжением U₁. Следовательно, для достижения E₁ прежнего значения, из-за тою. что U₁ неизменно, ток I₁ в первичной обмотке возрастает. Это свойство трансформатора называется способностью саморегулирования.

Роль контуров в трансформаторе играют катушки с определенным числом витков W₁ и W₂. Катушки располагаются на магнитопроводе, улучшающем магнитную связь между катушками, выполненном из листов электротехнической стали (ферромагнитного материала).

Когда катушки расположены на магнитопроводе основной магнитный поток замыкается по магнитопроводу и магнитное сопротивление для него небольшое. Поток рассеяния замыкается в основном по воздуху и магнитное сопротивление для него большое. Ф >> Фр.

Одна из катушек подключается к источнику питания переменного тока и называется первичной, число витков в ней W₁ (U₁, I₁). К другой катушке подключается приемник электрической энергии, это вторичная катушка W₂ (U₂, I₂). Катушки трансформатора называются еще обмотками.

Приложим к первичной катушке напряжение . По первичной катушке начинает протекать синусоидальный ток. Этот ток создаст магнитный поток изменяющийся по синусоидальному закону. Этот магнитный поток наведет ЭДС индукции в первичной и вторичной катушках. Действующее значение этих ЭДС E₁ и E₂. Магнитные потоки первичной и вторичной катушек можно считать одинаковыми.

;

.

Отношение ЭДС первичной катушки к ЭДС индукции вторичной катушки называется коэффициентом трансформации трансформатора:

.

Падение напряжения в катушках составляет несколько процентов от ЭДС и по этому можно пользоваться приближенным равенством:

.

Т.е. чтобы напряжение в катушках были разными необходимо, чтобы катушки имели разное число витков.

.

Цепь с более высоким напряжением – это цепь высшего напряжения (ВН), а цепь с более низким напряжением – цепь низшего напряжения (НН). Если цепью высшего напряжения является первичная катушка, то трансформатор называется понижающим (понизительным), а если наоборот, то это повышающий трансформатор (повысительный).

Если пренебречь потерями мощности в трансформаторе, то можно составить равенство:

;

.

В трансформаторе происходит обратная трансформация токов, т.е. больший ток протекает в цепи с меньшим напряжением и наоборот. Обмотки выполнены из провода разного сечения. Катушки с более высоким напряжением и меньшим током выполнены из провода меньшего сечения.

Наряду с изменением тока и напряжения, трансформатор изменяет сопротивление. Предположим, во вторичной цепи включено сопротивление z₂, тогда по отношению к первичной цепи это сопротивление будет иметь величину . Этим часто пользуются в электронных устройствах для согласования сопротивлений.

Трансформатор может работать только в цепи переменного тока. Если первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе создастся магнитный поток не изменяемый во времени по величине и направлению. Такой поток не наводит ЭДС индукции и тока во вторичной цепи не будет, т.к. принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции, который заключается в наведении ЭДС индукции в одной катушке при изменении тока в другой катушке.

Устройство трансформатора

Основными частями трансформатора являются: катушки (обмотки) и магнитопровод. Бывают двух- и многообмоточные трансформаторы, а также трансформаторы с расщепленной вторичной обмоткой.

Катушки обычно цилиндрические и они располагаются концентрически. Их концентрическое расположение обусловлено уменьшением магнитного потока рассеяния Ф_рас. Ближе к стержню располагают катушку более низкого напряжения, поскольку ее легче изолировать от стержня. Они изготавливаются из изолированного медного или алюминиевого провода.

Провода – круглого (при малой мощности трансформатора) или прямоугольного (при большой мощности, для уменьшения зазоров) сечения.

Магнитопровод набирается из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. При частоте 50 Гц толщина листа 0,28 - 0,5 мм.