Принцип действия трансформатора

Как уже отмечалось, наиболее простой по конструкции однофазный двухобмоточный трансформатор (рис. 2.7) состоит из первичной w₁, и вторичной w₂ обмоток, которые обла­дают индуктивностями L₁ и L₂ и взаимной индуктивностью М. Обмотки расположены на замкнутом магнитопроводе, изготов­ляемом из ферромагнитных материалов, который служит для лучшей магнитной связи обмоток.

Рис. 2.7. Схема однофазного двухобмоточного трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в конту­ре (витке), который пронизывается изменяющимся магнитным.

потоком Ф, наводится электродвижущая сила (ЭДС), пропор­циональная скорости изменения магнитного потока:

.

Если число витков w больше единицы, то

. (2.1)

Произведение wФ = ψ называют потокосцеплением обмотки.

Если к первичной обмотке подвести переменное напряже­ние U₁, то в ней возникает ток i₁ первичная обмотка w₁, создает переменный магнитный поток Ф₁, который складывается из основного потока трансформатора Ф₁₂, пронизывающего вто­ричную обмотку, и потока рассеяния первичной обмотки Ф_1σ:

(2.2)

Поток Ф₁₂, замыкающийся по магнитопроводу, называют основным магнитным потоком. Обычно полагают, что магнитопровод трансформатора не насыщен, и поток является синусо­идальной функцией: Ф₁₂ = Ф_m sinωt. Кроме основного имеется так называемый поток рассеяния Ф_1σ, замыкающийся не по магнитопроводу, а по воздуху.

В соответствии с законом электромагнитной индукции по­ток наводит в первичной и вторичной обмотках соответству­ющие ЭДС:

(2.3)

Тогда выражения для ЭДС имеют вид:

(2.4)

т. е. индуктированные потоком Ф₁₂ ЭДС отстают от него по фазе на угол π/2.

Действующие значения ЭДС определяются выражениями:

; (2.5)

откуда:

, (2.6)

т. е. ЭДС, наведенные в первичной и вторичной обмотках отно­сятся как соответствующие числа витков этих обмоток.

Величину называют коэффициентом трансформации трансформатора.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Поскольку, в силу малых потерь энергии при преобразо­вании в трансформаторе, мощности первичной и вторичной обмоток можно считать приближенно равными: S₁ ≈ S₂, или U_II₁ ≈ U₂I₂, тогда:

I₁ /I₂ ≈ U₂ /U₁ ≈w₂/w₁. (2.7)

Это означает, что при увеличении вторичного напряжения в k раз по сравнению с первичным, ток во вторичной обмотке уменьшается в k раз в сравнении с током вторичной обмотки.

Из принципа действия трансформатора следует, что транс­форматор может работать только в цепях переменного тока. Если на первичную обмотку подать постоянное напряжение, то магнитный поток его будет постоянным по величине и по направлению, следовательно, dФ = 0, и = 0. Более того, такой режим опасен для трансформатора, поскольку ЭДС E₁ = 0, и ток в первичной обмотке будет определяться напря­жением U₁ и величиной активного сопротивления R₁ которое весьма мало: I₁ = U₁/R₁.

Различают следующие режимы работы трансформатора: холостого хода, работы под нагрузкой и короткого замыкания.