Трансформатор. Принцип действия
Трансформатор- это статический (неподвижный) электромагнитный аппарат для изменения значений напряжений или тока и для разделения цепей. Включает в себя магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного материала, первичную обмотку с числом витков W1 и вторичную обмотку числом витков W2, причём вторичных обмоток может быть несколько. Обмотки выполняются из медного провода, реже из алюминиевого. Бывают трансформаторы силовые, разделительные, согласующие, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, специальные и другие. Все они различаются конструкцией и материалами, но в основу работы положен один и тот же принцип- принцип передачи мощности с помощью магнитного потока.
На рис.1 показан сердечник трансформатора, две обмотки на нём, показаны первичные и вторичные токи и напряжения, а также магнитный поток. Ключом К1, можно подключить первичную обмотку к источнику переменного напряжения, например к сети, а при помощи ключа К2 трансформатор можно нагрузить, подключив к вторичной обмотке нагрузку – сопротивление Rн.
Такие параметры как ток, напряжение и мощность, действующие в первичной обмотке называются первичными, т.е. первичный ток, первичное напряжение, первичная мощность, а сама цепь называется первичной.
Соответственно,
во вторичной цепи действуют вторичные
ток, напряжение и мощность.
На схемах трансформатор показывают как на рис.2, толстая черта между обмотками обозначает магнитопровод т.е.сердечник.
Приложенное к первичной обмотке переменное напряжение U1 вызовет переменный ток i1 в этой обмотке. Этот ток создаст переменный поток Ф в сердечнике, такой поток, замыкаясь через сердечник, пересечёт витки вторичной обмотки и наведёт в них ЭДС электромагнитной индукции и на зажимах вторичной обмотки возникнет напряжение U2. Если к этим зажимам подключить нагрузку Rн, то через неё потечёт ток i2. . Т.о. первичная мощность при помощи изменяющегося магнитного потока будет передана во вторичную цепь, при этом остальные параметры (ток, напряжение) изменятся так, как нам необходимо. Чтобы убедиться в этом, необходимо рассмотреть физику процесса при работе трансформатора.
Напряжение
U1 уравновешивается тремя
составляющими: падением напряжения на
этой обмотке i1R1,,
ЭДС самоиндукции этой обмотки
,
ЭДС взаимоиндукции в той же обмотке
.
Пользуясь
первым законом Кирхгофа для мгновенных
(т.е. в данный момент) значений можно
записать
,
подставляем значения ЭДС, получим
Вторичное напряжение U2 также
будет уравновешено тремя составляющими,
по аналогии можно записать
Т.о. в обмотках трансформатора имеет место явление самоиндукции и взаимоиндукции. Всё это возможно только на переменном токе, т.к. на постоянном токе производные равны нулю и первичное напряжение будет уравновешиваться только членом i1R1, а это значит, что на постоянном токе при том же значении u1 первичный ток i1 должен резко возрасти и трансформатор может перегреться и выйти из строя.
В общем виде первичная ЭДС (е1) и
вторичная ЭДС (е2) могут быть
выражены с помощью закона электромагнитной
индукции, через скорость изменения
потокосцепления.
;
;
Где W1 и W2 число витков первичной и вторичной обмоток, dФ/dt – первая производная потока по времени или скорость изменения магнитного потока.
Разделим первое уравнение на второе, получим е1/ е2 = W1/ W2 = К, где К –коэффициент трансформации. Поскольку число витков в первичной и вторичной обмотках можно изменять, следовательно, изготовитель может выпускать трансформаторы с различным К. Это имеет важное следствие, т.к. величины ЭДС е1 и е2 очень незначительно отличаются от первичного u1 и вторичного u2 напряжений. Это в свою очередь позволяет изменять вторичное напряжение при данном первичном.
Тогда u1/ u2 = W1/ W2 = К, отсюда видно что если если W1> W2 то К > 1 и u1 > u2, такой трансформатор называется понижающий, у него первичное напряжение больше вторичного.
Если W2> W1 то К < 1 и u2 > u1, такой трансформатор называется повышающий, у него первичное напряжение меньше вторичного.
В общем случае по ГОСТу коэффициентом трансформации (К) называется отношение напряжения обмотки ВН(высшего напряжения) к напряжению обмотки НН (низшего напряжения) при холостом ходе трансформатора (т.е. при отключённой нагрузке):
