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.