Принцип действия трансформатора.

Д ействие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении трансформатора к сети по виткам его первичной обмотки (ω₁) протекает переменный ток, I_{1 .} Этот ток создаёт переменный магнитный поток Ф, который замыкаясь по сердечнику (магнитопроводу) трансформатора пересекает витки вторичной обмотки, индуктирует в них переменные э. д. с.(Е). Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис.1- лампы накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. E по этой обмотке и через приемник энергии будет протекать ток I_{2. .}Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную

Величина тока I₂ зависит от величины магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный же поток (Ф) зависит от напряжения и частоты изменения переменного тока в сети.

Следовательно, величина напряжения на обмотке будет прямо пропорциональна количеству её витков. Т.е. чем больше витков имеет обмотка, тем на ней будет индуктироваться (создаваться)большее напряжение.

Для повышения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном сердечнике. Сердечник трансформатора для уменьшения потерь на вихревые токи набирается из тонких листов трансформаторной стали.

Исходя из выше изложенного становится ясным назначение каждой части трансформатора.

Первичная обмотка (ω₁) служит для создания изменяющегося (переменного) поля. Вторичная обмотка (ω₂) служит для создания (индуктирования) в ней электрического тока. Сердечник (магнитопровод) служит для усиления магнитного поля.

Коэффициент трансформации трансформатора.

При изменении числа витков первичной и вторичной обмоток, изменяется и напряжение на них. Для расчёта количества витков вводится понятие коэффициента трансформации (n).

Коэффициентом трансформации (n) называется отношение числа витков первичной обмотки (ω₁) к числу витков вторичной обмотки (ω₂).

n=

но т.к. напряжение зависит от числа витков обмоток , то справедливо и следующее определение: коэффициентом трансформации (n) называется отношение напряжения первичной обмотки (U₁) к напряжению вторичной обмотки (U₂).

n=

но т.к. при увеличении напряжения ток уменьшается, то следовательно, верно и следующее утверждение: коэффициентом трансформации (n) называется отношение тока вторичной обмотки (I₂)к току первичной обмотки (I ₁)

n=

Объединив эти формулу в одну т.е.:

n= = = =

можно сделать следующие выводы:

повышающая обмотка имеет

1. Провод меньшего сечения;

2. Большее число витков;

3. Расположена дальше от сердечника, т.е. накладывается на обмотку низкого напряжения (т.к. её сложнее изолировать от стального сердечника).

Кроме того, если n>1, то трансформатор является понижающим (т.к. в этом случае U₁>U₂),

а если n<1, то повышающим ( т.к. U₁<U₂)

Устройство и типы трансформаторов

Д ля повышения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном сердечнике. Сердечник (магнитопровод) трансформатора образует замкнутый для магнитного потока контур Сердеч­ник трансформатора для уменьшения потерь на вихревые токи набирается из тонких листов трансформаторной или холоднокатаной стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, оклеенных с одной стороны тонкой бумагой или покрытых лаком или окалиной. Трансформаторная сталь обладает меньшими потерями, чем обычная электротехническая сталь.

Ч асти магнитопровода, на которые надевается обмотка, называются стерж­нями.. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом. По конструкции магнитопровода различают два типа трансформаторов: стержневые и броневые (рис.1). У трансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформатора броневого типа магнитопровод, наоборот, как «броней», охватывает обмотки. В случае неисправности в обмотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа. В последнее время на практике получили распространение трансформаторы, сердечники которых изготовляются из узкой ленты электротехнической стали (рис. 2).

Ленточные сердечники разрезаются на две половины, чтобы можно было надеть на них катушки. Затем половины сердечника стягиваются и закрепляются. Обмотка трансформаторов выполняется из изолированной круглой или прямоугольной меди. На стержень магнитопровода предварительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низ­шего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения. На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который помещают обмотку высшего напряжения. Расположение этой обмотки снаружи удобно еще тем, что при неисправностях (которые чаще случаются в высоковольтной обмотке) она доступна для осмотра и ремонта. Концы обмоток высшего и низшего напряжения выводятся через проходные изоляторы, укрепленные на стальной крышке трансформатора. Сердечник с обмотками обычно опускают в бак прямоугольной или овальной формы, изготовленный из листовой стали. В бак заливается специальное трансформаторное масло, обладающее большой электрической прочностью. Витки обмотки, помещенной в масло, хорошо изолируются один от другого. Кроме того, трансформаторное масло, обладая большой теплопроводностью, отнимает тепло от обмоток и отдает его баку. Для увеличения поверхности охлаждения у бака делают ребристую поверхность. Для этой же цели к баку приваривают трубы, сооб­щающиеся с баком в верхней и нижней частях. Для трансформаторов большой мощности трубы сваривают в отдельные блоки, называемые радиаторами, которые прикрепляют к баку. Крышка трансформатора при помощи болтов крепится к баку.

При работе трансформатора масло, отнимая тепло от обмоток трансформатора, само нагревается и начинает расширяться. При остывании масло сжимается и в свободное от масла пространство может проникнуть воздух, содержащий влагу. Во избежание этого между крышкой и баком прокладывают слой резины, которая не дает воздуху проникать в бак.

П ри большом объеме масла в баке расширение масла при нагревании может быть настолько большим, что оно станет вытекать из-под крышки. Чтобы дать возможность маслу расширяться, на крышке трансформатора устанавливают дополнительный бачок, называемый расширителем. Этот бачок соединяется трубой с баком. При нагреве масло вытесняется в расширитель, а при охлаждении, сокращаясь в объеме, уходит в бак. На расширителе устанавливают масломерную стеклянную трубку для наблюдения за уровнем масла. Так устроены масляные трансформаторы с естественным воздушным (рис. 3) охлаждением. Трансформаторы небольших мощностей (5—10 кВА) иногда устраиваются с естественным воздушным охлаждением.

Для лучшего охлаждения трансформаторов с масляным охлаждением устанавливают воздушные вентиляторы, приводимые в движение электрическими двигателями. Для этой же цели некоторые трансформаторы имеют масляный насос, который гонит нагретое масло из верхней части бака, прогоняет его через змеевик, охлаждаемый проточной водой, и подаёт остывшее масло в нижнюю часть бака трансформатора.