Трансформаторы

Трансформатором называется статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Обычно приемники электроэнергии расположены на некотором расстоянии от электростанций. Иногда эти расстояния измеряются сотнями и тысячами километров. Генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию напряжением не выше 10÷20 кВ. Энергия большой мощности при небольшом значении напряжения может быть передана только при большом значении тока. Для этого требуются провода больших сечений, иначе потери мощности ( - сопротивление 1 км линии передач, Ом/км; - длина линии, км) будут большими. Чем больше мощность и длина линии передач, тем больше потери мощности. При некоторых значениях S и L передача электроэнергии становится экономически невыгодной.

Если ту же самую мощность передавать при более высоком напряжении, то уменьшится. Такое изменение напряжения при практически неизменной передаваемой мощности осуществляется с помощью трансформатора. Трансформаторы могут повышать напряжение генераторов электростанций до 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

На местах потребления электроэнергии напряжение должно быть понижено до такого уровня, которое является номинальным для электроприемников (220, 380 В и т.д.). Для этой цели также используют трансформаторы.

Трансформаторы применяются в установках электросварки, в радио- и телеустановках, в системах автоматического управления, связи и др. В этих случаях трансформаторы преобразуют напряжение одного уровня в напряжение другого уровня, которое требуется для питания данного элемента установки и отличается от напряжения источника питания.

Принцип действия трансформатора

Трансформатор состоит из стального магнитопровода, на который намотаны обмотки. Обмоток может быть две (двухобмоточный трансформатор), три (трехобмоточный) и т. д. К одной из обмоток подводят напряжение от источника питания. Эта обмотка называется первичной и имеет w₁ витков. Другая обмотка, имеющая w₂ витков, называется вторичной. Начала обмоток обозначают А и а, концы – Х и х.

Под действием переменного напряжения u₁ по виткам первичной обмотки протекает переменный ток i, создающий переменную магнитодвижущую силу iw₁, которая в свою очередь, создает переменный основной магнитный поток Ф, замыкающийся по стальному магнитопроводу. Замыкаясь, магнитный поток Ф оказывается сцепленным как с первичной, так и со вторичной обмотками.

При синусоидальном первичном напряжении магнитный поток также синусоидальным: . Магнитный поток индуцирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, пропорциональную числу витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

,

где - амплитуда первичной ЭДС.

Отсюда видно, что ЭДС первичной обмотки отстает по фазе от магнитного потока на угол π/2.

Синусоидальный магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, индуцирует в ней ЭДС взаимоиндукции

,

где - амплитуда вторичной ЭДС.

Отсюда видно, что вторичная ЭДС совпадает по фазе с первичной ЭДС, то есть также отстает по фазе от магнитного потока на угол π/2.

Действующие значения первичной и вторичной ЭДС:

;

.

Так как частота ЭДС одинаково и индуцируются они одним и тем же магнитным потоком, то первичная ЭДС отличается от вторичной только в том случае, если число витков w₁ и w₂ обмоток неодинаково. Чем больше число витков обмотки, тем большая ЭДС в ней индуцируется.

Отношение первичной ЭДС к вторичной называется коэффициентом трансформации трансформатора

и равно отношению числа обмоток. Коэффициент трансформации может быть как больше, так и меньше единицы.

Если необходимо повысить напряжение источника питания, то число витков вторичной обмотки делают больше числа витков первичной обмотки (w₂>w₁). Такой трансформатор называется повышающим. если это напряжение нужно понизить, то w₂<w₁. В этом случае трансформатор будет понижающим. Если требуется несколько различных значений вторичного напряжения, то на тот же магнитопровод наматывают несколько вторичных обмоток с различным числом витков.

Таким образом, при подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного тока на зажимах вторичной обмотки индуцируется переменная ЭДС Е₂ и вторичная обмотка становится источником питания, к которой можно присоединить какой-либо электроприемник.