Принцип действия трансформатора

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного транс­форматора состоит из двух обмоток (рис. 29), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. умень­шить магнитное сопротив­ление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока (электри­ческой сети) с напряжением U₁; к вторичной обмотке присоединяется сопротивле­ние нагрузки Z_Н.

Рис. 29. Электромагнитная система однофазного трансформатора:

1 – первичная обмотка, 2 – вторичная обмотка, 3 – магнитопровод

Обмотка более высокого напряжения называется об­моткой высшего напряжения (ВН), а более низкого нап­ряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначаются большими буквами А и X, обмотки НН – малыми буквами а и х.

При подключении первичной обмотки к сети в этой обмотке возникает переменный ток, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуктирует в обеих обмотках переменные ЭДС е₁ и е₂ пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков W₁ и W₂ соответствую­щих обмоток и скорости изменения потока dФ/dt. Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуктированных в каждой обмотке, будут

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансфор­матора, которые не превышают обычно 3–5% от номинальных зна­чений напряжений U₁ и U₂ и считать Е₁ » U₁ и Е₂ » U₂, то получим, что

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа вит­ков обмоток, можно при заданном напряжении U₁ получить жела­емое напряжение U₂. Если необходимо повысить вторичное напря­жение, то число W₁ берут меньшим W₂, такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U₂, то число витков W₁ берут большим W₂; такой тран­сформатор называют понижающим.

Отношение ЭДС первичного напряжения к ЭДС вторичного напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики — многообмоточные трансформаторы. В этих трансформаторах на магнитопроводе размещают три или боль­шее число изолированных друг от друга обмоток, что дает воз­можность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U₂, U₃, U₄ и т. д.) для энерго­снабжения двух или большего числа групп потребителей. В трех­обмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, при увеличении вторичного напряжения трансфор­матора в k раз (по сравнению с первичным) ток во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе также образуется магнитный поток, но он будет постоянным во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не будет индуктироваться ЭДС, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E₁ в первичной обмотке ток I₁=U₁/R₁ резко возрастает.

Лекция № 7