Трансформатор. Принцип действия

Трансформатор- это статический (неподвижный) электромагнитный аппарат для изменения значений напряжений или тока и для разделения цепей. Включает в себя магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного материала, первичную обмотку с числом витков W₁ и вторичную обмотку числом витков W₂, причём вторичных обмоток может быть несколько. Обмотки выполняются из медного провода, реже из алюминиевого. Бывают трансформаторы силовые, разделительные, согласующие, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, специальные и другие. Все они различаются конструкцией и материалами, но в основу работы положен один и тот же принцип- принцип передачи мощности с помощью магнитного потока.

На рис.1 показан сердечник трансформатора, две обмотки на нём, показаны первичные и вторичные токи и напряжения, а также магнитный поток. Ключом К₁, можно подключить первичную обмотку к источнику переменного напряжения, например к сети, а при помощи ключа К₂ трансформатор можно нагрузить, подключив к вторичной обмотке нагрузку – сопротивление Rн.

Такие параметры как ток, напряжение и мощность, действующие в первичной обмотке называются первичными, т.е. первичный ток, первичное напряжение, первичная мощность, а сама цепь называется первичной.

Соответственно, во вторичной цепи действуют вторичные ток, напряжение и мощность.

На схемах трансформатор показывают как на рис.2, толстая черта между обмотками обозначает магнитопровод т.е.сердечник.

Приложенное к первичной обмотке переменное напряжение U₁ вызовет переменный ток i₁ в этой обмотке. Этот ток создаст переменный поток Ф в сердечнике, такой поток, замыкаясь через сердечник, пересечёт витки вторичной обмотки и наведёт в них ЭДС электромагнитной индукции и на зажимах вторичной обмотки возникнет напряжение U₂. Если к этим зажимам подключить нагрузку Rн, то через неё потечёт ток i₂.. Т.о. первичная мощность при помощи изменяющегося магнитного потока будет передана во вторичную цепь, при этом остальные параметры (ток, напряжение) изменятся так, как нам необходимо. Чтобы убедиться в этом, необходимо рассмотреть физику процесса при работе трансформатора.

Напряжение U₁ уравновешивается тремя составляющими: падением напряжения на этой обмотке i₁R_1,, ЭДС самоиндукции этой обмотки , ЭДС взаимоиндукции в той же обмотке .

Пользуясь первым законом Кирхгофа для мгновенных (т.е. в данный момент) значений можно записать , подставляем значения ЭДС, получим

Вторичное напряжение U₂ также будет уравновешено тремя составляющими, по аналогии можно записать

Т.о. в обмотках трансформатора имеет место явление самоиндукции и взаимоиндукции. Всё это возможно только на переменном токе, т.к. на постоянном токе производные равны нулю и первичное напряжение будет уравновешиваться только членом i₁R₁, а это значит, что на постоянном токе при том же значении u₁ первичный ток i₁ должен резко возрасти и трансформатор может перегреться и выйти из строя.

В общем виде первичная ЭДС (е₁₎ и вторичная ЭДС (е₂) могут быть выражены с помощью закона электромагнитной индукции, через скорость изменения потокосцепления. ; ;

Где W₁ и W₂ число витков первичной и вторичной обмоток, dФ/dt – первая производная потока по времени или скорость изменения магнитного потока.

Разделим первое уравнение на второе, получим е₁/ е₂ = W₁/ W₂ = К, где К –коэффициент трансформации. Поскольку число витков в первичной и вторичной обмотках можно изменять, следовательно, изготовитель может выпускать трансформаторы с различным К. Это имеет важное следствие, т.к. величины ЭДС е₁ и е₂ очень незначительно отличаются от первичного u₁ и вторичного u₂ напряжений. Это в свою очередь позволяет изменять вторичное напряжение при данном первичном.

Тогда u₁/ u₂ = W₁/ W₂ = К, отсюда видно что если если W₁> W₂ то К > 1 и u₁ > u₂, такой трансформатор называется понижающий, у него первичное напряжение больше вторичного.

Если W₂> W₁ то К < 1 и u₂ > u₁, такой трансформатор называется повышающий, у него первичное напряжение меньше вторичного.

В общем случае по ГОСТу коэффициентом трансформации (К) называется отношение напряжения обмотки ВН(высшего напряжения) к напряжению обмотки НН (низшего напряжения) при холостом ходе трансформатора (т.е. при отключённой нагрузке):

Дата добавления: 2015-07-12