Принцип действия трансформаторов

Простейший трансформатор рис. 9.2 состоит из магнитопровода и двух расположенных на нем обмоток. Обмотки электрически не связаны друг с другом. Одна из обмоток – первичная, подключена к источнику переменного тока U₁. К другой обмотке – вторичной подключают потребитель Z _Н.

Рис. 9. 2 Принципиальная схема трансформатора

 

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Для примера рассмотрим упрощенную схему рис.9.3.:

 

Рис. 9. 3

 

Первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют по одному витку. Напряжения на концах обеих обмоток одинаковы. Оба витка будут вполне самостоятельными электрическими цепями. Связь между ними осуществляется исключительно магнитным полем. Всякое изменение тока в первом витке вызовет изменение магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции утверждает, что изменение магнитного потока обусловливает появление индуктивного напряжения. Это справедливо как для первого витка, так и для второго, ибо они пронизываются одним и тем же магнитным потоком. Очевидно, что и направление индуктивного напряжения будет одинаковым в обоих витках.

При замыкании второго витка ток в его цепи создаст свое магнитное поле, которое налагается на магнитное поле тока первого витка. Мы знаем, что здесь возможны два случая: либо второе поле усилит первое, либо, наоборот, ослабит его. Вопрос этот решается в зависимости от того, как направлены оба тока.

Одно и то же напряжение является причиной появления тока во втором витке и помехой для протекания тока в первом витке. Следовательно, токи обоих витков имеют разные направления (если не в течение всего периода, то на протяжении большей его части). Отсюда чрезвычайно важный вывод: нагрузочный ток второго витка стремится размагничивать железный сердечник.

Итак, мы решили задачу передачи энергии из цепи в цепь, но от нас требуется умение повышать напряжение. С этой целью заменим второй виток схемы на рис. 9.3. обмоткой из двух витков, как показано на рис. 9.4.

 

Рис. 9. 4

 

Первичная обмотка трансформатора имеет один виток, вто­ричная – два. Напряжение на концах вторичной обмотки вдвое больше, чем на концах первичной

Все наши рассуждения, примененные к одному витку старой схемы, остаются справедливыми для каждого из двух витков вторичной цепи новой схемы. Витки соединены последовательно, и их напряжения суммируются. На свободных концах получится напряжение вдвое большее, чем – то, которым обладает каждый из витков в отдельности, и вдвое большее, чем мы имеем на генераторной (первичной) стороне. Задача повышения напряжения решена.

Добавим на первичной стороне еще один виток (рис. 9.5). Обе обмотки, и первичная и вторичная, будут состоять из двух витков каждая. Генераторное напряжение распределится поровну между обоими витками первичной обмотки. Напряжение, приходящееся на каждый виток, будет вдвое меньше, чем в схемах на рис. 9.3. и 9.4.

 

Рис. 9. 5

 

Первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют по два витка

Обмотки имеют одинаковое напряжение. Магнитный поток ока­зывается вдвое меньше, чем в трансформаторе на рис. 9.3 и 9.4.

В самом деле, увеличивая число витков в первичной обмотке, мы уменьшаем величину магнитного потока, а следовательно, и магнитной индукции. Этот способ уменьшения магнитной индукции может оказаться выгоднее, чем увеличение сечения сердечника. Магнитную индукцию мы назначаем с таким расчетом, чтобы не допустить чрезмерных потерь в стали. КПД современных крупных трансформаторов чрезвычайно высок, превышая иногда 99 %.

При этом в каждом витке вторичной обмотки будет индуктироваться напряжение, равное напряжению одного витка первичной обмотки. Число витков в обеих обмотках одинаково. Одинаковыми будут первичное и вторичное напряжения.

Удалим один виток из вторичной обмотки. Получится схема, показанная на рис. 9.6 и отличающаяся от схемы на рис. 9.4 лишь тем, что генератор и нагрузка поменялись местами. Явления в первичной обмотке ничем не будут отличаться оттого, что мы имели в предыдущей схеме, но на концах вторичной обмотки мы получим половинное напряжение. Вместо того чтобы повысить напряжение, трансформатор понизил его.

Подведем итог нашим рассуждениям. Необходимое для передачи энергии преобразование напряжения может осуществляться лишь при помощи переменного тока. Постоянный ток непригоден для этой цели, так как он создает постоянный магнитный поток, который не индуктирует необходимого напряжения.

Рис. 9. 6

 

Первичная обмотка трансформатора имеет два витка, вторичная – один виток. Напряжение на концах вторичной обмотки вдвое меньше, чем на первичной.

Забираемая от генераторов энергия почти полностью передается во вторичную цепь. Если не считаться с наличием потерь в трансформаторе, то можно приравнять друг другу мощности первичной и вторичной цепей. Отсюда сделаем вывод, что понижение трансформатором напряжения приводит к соответственному увеличению тока, и наоборот.

Любой виток обеих трансформаторных обмоток имеет одно и то же напряжение. Отношение числа витков (оно также называется коэффициентом трансформации) будет в то же время отношением напряжений обмоток. Если число витков первичной обмотки меньше числа витков вторичной обмотки, то трансформатор будет повышающим. В понижающем трансформаторе первичная обмотка имеет большее количество витков.