4. Трансформатор

Нередко требуется от одного и того же источника переменного тока питать приборы, рассчитанные на разные напряжения. Повышение и понижение напряжения переменного тока осуществляется трансформаторами.

4.1. Устройство

Трансформатор был изобретен в 1878 г. П. Н. Яблочковым.

Самый простой трансформатор переменного тока состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитный сердечник (рис. 1).

Сердечник трансформатора собран из листов специальной трансформаторной стали с малой коэрцитивной силой.

Рис.1

На сердечнике размещаются первичная обмотка с числом витков и вторичная обмотка с числом витков (или несколько вторичных обмоток).

4.2. Холостой ход

Холостым ходом называется режим работы трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае в первичной обмотке трансформатора течет очень малый ток холостого хода; трансформатор потребляет небольшую мощность холостого хода , которая практически совпадает с мощностью, расходуемой на перемагничивание сердечника (это потери на гистерезис, называемые потерями в стали ): .

Оценим напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток. При подключении выводов первичной катушки к источнику переменного напряжения в ней возникает переменный ток. Если напряжение изменяется со временем по гармоническому закону с частотой , то по гармоническому закону с этой же частотой происходят изменения силы тока в катушке и магнитного потока , создаваемого этим током:

При изменениях магнитного потока в каждом витке провода первичной катушки возникает ЭДС самоиндукции, изменяющаяся по гармоническому закону:

(1)

где – амплитуда колебаний ЭДС в одном витке.

Если число витков в первичной катушке w₁, а ЭДС самоиндукции в одном витке е, то мгновенное значение ЭДС самоиндукции в первичной катушке равно:

.

(2)

Вторичную катушку пронизывает тот же магнитный поток, который проходит через первичную катушку: При изменениях магнитного потока в каждом ее витке возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону (1). Если число витков провода во вторичной катушке w₂, то мгновенное значение ЭДС в ней равно:

(3)

Отношение ЭДС самоиндукции в первичной обмотке к ЭДС ин­дукции во вторичной обмотке равно отношению числа витков:

(4)

Активное сопротивление первичной обмотки мало по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, поэтому приложенное напряжение в любой момент времени почти точно равно ЭДС самоиндукции, взятой с противоположным знаком. При разомкнутой цепи вторичной катушки – режим холостого хода трансформатора – напряжение на ее концах в любой момент времени равно ЭДС индукции , взятой с противоположным знаком. Поэтому из выражения (4) следует:

	(5)
где	(6)

коэффициент трансформации.

При трансформатор называется понижающим, при – повышающим.

Билет 34