Трансформатор

Явление электромагнитной индукции широко используется в многочисленных технических устройствах и приборах.

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов.

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пакета пластин (для уменьшения потерь от нагрева вихревыми токами), на который надеты две (иногда более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток называется первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т.е приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

При прохождении переменного (не обязательно синусоидального) тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Если напряжение изменяется гармоническому закону, то по такому же закону будет изменять и ток.

Магнитный поток, проходящий через катушку, равен Φ = Φ_max cos(ωt).

При изменении магнитного потока в каждом витке первой катушки возникает ЭДС самоиндукции:

e = - Φ’ = ωΦ_max sin(ωt)

Произведение ωΦ_max является амплитудой ЭДС в одном витке, всего же ЭДС в первичной катушке e₁ = n₁e.

Вторичную катушку пронизывает тот же магнитный поток, поэтому:

e₂ = n₂e = n₂ ωΦ_max sin(ωt)

Результирующие ЭДС в первичной и вторичной обмотках пропорциональны количеству витков в них, так как ЭДС отдельных витков направлены согласованно и складываются:

e₁ = - n₁ Φ’= n₁ ωΦ_max sin(ωt); e₂ = - n₂ Φ’= n₂ ωΦ_max sin(ωt)

Т.к. магнитные потоки одинаковы, то =

Если сопротивлением обмоток пренебречь, то ЭДС индукции в них равны напряжению на зажимах ( ε₁ ≈ U₁, ε₂ ≈ U₂ )

Изменение напряжения трансформатором характеризуется коэффициентом трансформации.

Коэффициент трансформации – величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

k = = =

Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков в первичной и вторичной обмотках.

При k >1 трансформатор повышающий, при k < 1 – понижающий.

Потери на нагревание проводов и сердечников малы, поэтому Ф₁Ф₂.

Магнитный поток пропорционален силе тока в обмотке и количеству витков Ф = nLI

Отсюда n₁I₁ = n₂I₂, т.е. ≈ =

Трансформатор увеличивает напряжение в k раз, уменьшая во столько же раз силу тока.

Трансформатор не может повышать мощность (см.закон сохранения энергии)

Переменный ток в обмотках вызывает индукционные токи в стальном сердечнике трансформатора.

Для уменьшения потерь энергии, вызванных вихревыми токами в сердечнике трансформатора (токи Фуко), сердечник ламинируют, т.е. изготавливают из тонких, изолированных друг от друга пластин или свивают из тонкой металлической ленты.

В небольших трансформаторах в качестве материала сердечника часто используют ферриты – ферромагнетики, имеющие значительное сопротивление по сравнению с сопротивлением железа.

На холостом ходу ток в первичной обмотке I_хх определяется в основном только ее индуктивным сопротивлением, которое во много раз превышает активное сопротивление обмотки.

В реальных трансформаторах следует учитывать сопротивление обмоток (при увеличении тока на них, согласно закону Ома, падает напряжение) и потери на перемагничивание сердечника.

Суммарные потери энергии в трансформаторах не превышают 2-3%.

Особенностью классического трансформатора является отсутствие гальванической (непосредственной) связи цепей первичной и вторичной обмоток.

Используя несколько вторичных обмоток, можно получать на одном трансформаторе несколько выходных напряжений, что весь удобно.

Существуют автотрансформаторы, у которых вторичное напряжение снимается с части первичной обмотки. Таким образом у них первичная и вторичная обмотки совмещены и гальванически связаны.

ДОБАВИТЬ СВАРОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР (???)