1.2. Устройство трансформатора

Конструктивно трансформатор представляет собою две или несколько обмоток, насаженных на замкнутый магнитопровод (сердечник) из магнитомягкого ферромагнитного материала: какой-либо электротехнической стали или пермаллоя – сплава с малой коэрцитивной силой Н_с~10…100 А/м. Обмотки навиваются на каркас медным проводом. Одна из обмоток является первичной, на неё поступает входное напряжение и₁(t). Вторичных обмоток, откуда снимаются выходные напряжения, может быть одна или несколько. Все обмотки тщательно изолируются как от магнитопровода, так и друг от друга.

Использование магнитопровода преследует две цели: 1) уменьшить рассеяние магнитного потока Ф почти до нуля, так как почти все линии поля В (индукции) направляются по магнитопроводу; 2) сделать индуктивное сопротивление катушек ωL≫r их активного сопротивления, что уменьшает тепловые потери в трансформаторе ΔР=I²r, так что КПД даже маломощных трансформаторов достигает 90%, а мощных – 98-99%.

М агнитопровод делается не цельным, а набирается из листов железа (или пермаллоя) толщиной обычно 0,35 мм, которые изолируются друг от друга слоем лака (он также может навиваться из железной ленты). Такая конструкция позволяет уменьшить тепловые потери в магнитопроводе, так как уменьшаются контуры развития вихревых токов: оно циркулируют уже не по всему сечению магнитопровода, а лишь по сечениям отдельных листов (рис. 1), что резко увеличивает сопротивление вихревым токам.

По форме магнитопровода трансформаторы бывают стержневые и броневые. Стержневые набираются из П-образных пластин, а броневые – из Ш-образных. В обоих случаях магнитопровод может не набираться из листов, а навиваться из ленты, как показано на рис. 2. Ленточные магнитопроводы более экономичны, так как у них плавняе обводы (нет углов), что заметног уменьшает рассеяние потока из магнитопровода и, следовательно, увеличивает индуктивную связь обмоток.

В трансформаторах, работающих на высоких частотах, магнитопроводы делают из порошковых материалов – ферритов, так как даже в тонких пластинах потери от вихревых токов на высоких частотах оказываются недопустимо большими.

В трансформаторах большой мощности – в десятки и сотни мегаватт – интенсивность тепловыделения и нагрев обмоток настолько велики, что трансформатор приходится принудительно охлаждать, помещая его в кожух, заполненный циркулирующим трансформаторным маслом.

1 .3. Принцип действия трансформатора

К ак отмечалось, работа трансформатора основана на электромагнитной индукции. Пусть трансформатор имеет две обмотки: первичную, содержащую N₁ витков, и вторичную, содержащую N₂ витков (рис. 3).

И пусть к первичной обмотке приложено синусоидальное напряжение

и₁= . (1)

Протекающий по ней переменный ток i₁(t) создаст в магнитопроводе поле Н, определяемое теоремой о циркуляции

, (2)

а значит, в магнитопроводе появится и переменное поле В (индукция). Следовательно, будет и магнитный поток Ф=ВS, замыкающийся по магнитопроводу (здесь S – сечение магнитопровода).

Законы Ома и электромагнитной индукции, применённые к контуру первичной обмотки, дают:

и₁= , (3)

где r₁ – активное сопротивление первичной обмотки. А так как у реальных силовых трансформаторов сопротивления медных обмоток обычно невелики, то можно считать, что

r₁I₁≪U₁, (4)

где I₁ и U₁ – амплитуды тока и напряжения в первичной обмотке (r₁I₁ меньше U₁ примерно на два порядка). Поэтому вместо (3) можно с хорошей точностью записать:

и₁= .

Отсюда вывод: если входное напряжения трансформатора синусоидально, то и магнитный поток в его сердечнике также будет синусоидальным:

Ф(t)= , (5)

Если пренебречь рассеянием, то тот же самый синусоидальный поток (5) пронизывает и витки вторичной обмотки. Следовательно, в ней наводится синусоидальная ЭДС, которая создаёт на её концах напряжение

и₂=

с амплитудой U₂= .

Определение. Отношение

k= , (6)

показывающее, во сколько раз амплитуда напряжения на вторичной обмотке больше, чем на первичной, называется коэффициентом трансформации. Если k>1, то трансформатор называется повышающим, а при k<1 – понижающим.

Таким образом, амплитуды напряжений на обмотках относятся как числа их витков.