Тема 5.2. Трансформаторы.

Устройство и принцип действия трансформатора.

Устройство трансформатора.

Трансформатор является статическим электромагнитным устройством, в состав которого входят две и более обмоток с индуктивными связями. Это устройство предназначено для преобразования (понижения или повышения) первичного U переменного тока во вторичное U переменного тока с помощью явления электромагнитной индукции. Стандартное устройство трансформатора основано на электромагнитной схеме, которая состоит из двух обмоток, размещенные на замкнутом контуре магнитопровода, изготовленного из ферримагнитных материалов.

За счет ферромагнитов усиливается электромагнитная связь между обеими обмотками, то есть магнитное сопротивление контура, по которому проходит трансформаторный магнитный поток, уменьшается. Для подключения первичной обмотки используется источник переменного тока. Вторичная обмотка присоединяется к сопротивлению нагрузки.

Рисунок 1.

Обмотка с высоким напряжением носит название обмотки высшего напряжения, а обмотка с низким, называется обмоткой низшего напряжения.

Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора основано на законе Фарадея (законе электромагнитной индукции): изменяющийся во времени магнитной поток через площадку, ограниченную контуром, создает электродвижущую силу. Справедливо также обратное утверждение: изменяющийся электрический ток индуцирует изменяющееся магнитное поле.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции (закон Фарадея). При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике (магнитопровод) наводится переменное магнитное поле, следовательно появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:

е = - Δ Ф/ Δ t,

если Ф = Ф0 соsωt,

то е = ω Ф0 sinωt,

или е = E0 sinωt,

где E0= ω Ф0 - амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей N1 витков, полная ЭДС индукции: e1=N1е.

Во вторичной обмотке, имеющей N2 витков полная ЭДС. е2 = N2е, где N2 - число витков этой обмотки. Отсюда следует, что

e1 е2 = N1 N2

Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u1 + e1 = i1 R1,

где R1 - активное сопротивление обмотки, а i1 - сила тока в ней.

Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и членом i1 R1 можно пренебречь. Поэтому u1 ≈ - e1.

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение:

u2 ≈ - e2.

Так как мгновенные значения ЭДС e1 и e2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле можно заменить отношением действующих значений E1 и E2 этих ЭДС.

U1/U2 = E1/E2 = N1/ N2= k.

Величина k называется коэффициентом трансформации. Если k>1, то трансформатор является понижающим, при k

Условное обозначение трансформатора.

При передаче и распределении электроэнергии в некоторых случаях применяются трансформаторы с тремя обмотками, а в автоматических и радиоэлектронных устройствах используются трансформаторы с большим количеством обмоток. В таких случаях на одну обмотку поступает питание, а на остальных получаются различные напряжения. Это позволяет снабжать электроэнергией сразу несколько потребителей.

Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.