4. Трансформатори

Трансформатори використовуються для підвищення чи пониження змінного струму і напруги.

Трансформатор винайшов П. Н. Яблочков в 1867р. В 1882р. Російський винахідник И. Ф. Усагін запропонував більш сучасну конструкцію трансформатора.

Найпростіший трансформатор складається з двох обмоток, які знаходяться на загальному стальному замкнутому сердечнику. На рис.4, а схематично зображено устройство трансформатора, а на рис. 4, б – умовне позначення його на схемах. Обмотка, підключена до джерела змінного струму, називається первинна обмотка трансформатора, а обмотка, до якої підключена нагрузка, - вторинна обмотка.

Робота трансформатора базується на явищі взаємоіндукції.

Змінний струм, який тече по первинній обмотці, спричиняє в сердечнику змінне магнітне поле, яке перетинає витки вторинної обмотки та індукує в ній ЕРС взаємоіндукції. Ця ЕРС спричиняє на вторинній обмотці напругу, яка і прикладається до нагрузки.

Рис.4 Трансформатор:

а – спрощення зображення;б – умовне зображення на схемах

Співвідношення напруг в первинній та вторинній обмотках.

Напруга, прикладена до первинної обмотки трансформатора, розподіляється порівну між всіма її витками. Напруга, падаюча на кожному витку первинної обмотки, зрівноважується електрорушійною силою самоіндукції, яка в ньому виникає під дією змінного магнітного потоку сердечника. Тому ЕРС одного витка первинної обмотки дорівнює прикладеній напрузі, розділеному на кількість витків в первинній обмотці:

В цій формулі - ЕРС одного витка;- напруга, прикладена до первинної обмотки;- число витків в первинній обмотці.

Кожний виток як первинної, так і вторинної обмоток пронизується одним і тим же магнітним потоком. Тому в кожному витку вторинної обмотки індукується така ж ЕРС, як і в кожному виткі первинної обмотки. Загальна ЕДС вторинної обмотки дорівнює сумі електрорушійних сил всіх витків. Тому, щоб найти напругу на вторинній обмотці трансформатора, потрібно помножить ЕРС одного витка на кількість витків вторинної обмотки

.

Тут - напруга на вторинній обмотці;- ЕРС одного витка;- число витків вторинної обмотки.

Із сказаного можна зробити висновок: напруга на вторинній обмотці в скільки раз більша напруги на первинній обмотці, в скільки раз число витків вторинної обмотки більше числа витків первинної обмотки:

Співвідношення струмів в первинній та вторинній обмотці

Трансформатор не являється джерелом електричної енергії. Спираючись на закон збереження енергії, можна стверджувати, що потужність, яку отримує первинна обмотка від джерела, завжди дорівнює сумі потужності, використаної на нагрузці, і потужності, витраченої на нагрів трансформатора. Однак потужність, витрачена на нагрів трансформатора, звичайно мала і нею можна знехтувати. Тому можна написати

.

Тут - потужність, одержана трансформатором від джерела,- потужність, що виділяється на нагрузці. Яку потужність ми беремо від трансформатора, таку потужність трансформатор забирає від джерела.

Потужність , яку віддає трансформатор нагрузці, залежить від напруги на вторинній обмотці та від величини опору нагрузки. Якщо, наприклад, зменшити опір нагрузки, то збільшиться струм в вторинній обмотці та потужність, яку віддає трансформатор нагрузці. Але із попереднього слідує, що при цьому повинна збільшитися і потужність, яку забирає трансформатор від джерела, а звідси, і величина струму в первинній обмотці. Таким чином, при будь яком збільшенні струму в вторинній обмотці зараз же відповідно збільшиться і струм в первинній обмотці.

Із рівності потужностей в первинному та вторинному колах трансформаторах, крім того, слідує, що струми в них не однакові. Дійсно, потужність дорівнює добутку струму на напругу. Якщо трансформатор підсилюючий і напруга на вторинній обмотці більша, ніж на первинній, то для рівності потужності необхідно, щоб струм в вторинній обмотці був менше, ніж в первинній. В понижуючому трансформаторі, навпаки, струм в вторинній обмотці більше, ніж в первинній. Отже, трансформатор перетворює не тільки напругу, але і струм. В скільки раз трансформатор збільшує напругу, в стільки раз він зменшує величину струму.

Математично записується наступною формулою: