Введение. Трансформатор – устройство для преобразования переменного электрического тока одного напряжение в другое той же частоты

Трансформатор – устройство для преобразования переменного электрического тока одного напряжение в другое той же частоты. Простейший трансформатор состоит из двух обмоток расположенных на одном стержне – магнитопроводе Обмотка, на которую подается напряжение, называется первичной, с которой снимается напряжение – вторичной. На схемах они указываются римскими цифрами.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Переменный ток, проходя по первичной обмотке образует линии индукции магнитного моля, которые пронизывают витки вторичной обмотки и наводят в ней ЭДС. Так как обе катушки связаны магнитопроводящим сердечником, то данный процесс происходит практически без потерь. Обратите внимание на то, что трансформатор может работать только в цепи переменного тока, так как если его включить в цепь с постоянным током, то образовавшийся магнитный поток, за счет постоянного электрического тока, является постоянным и не изменяется с течением времени, а для образования ЭДС, согласно законам Фарадея, необходимо меняющееся (переменное) магнитное поле.

Отношение ЭДС в первичной обмотке к ЭДС вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации:

;

где е – значение ЭДС индукции в одном витку.

Коэффициент трансформации k показывает во сколько раз трансформатор преобразует переменный ток. Если k>1, то трансформатор называется понижающим, если же k<1, то повышающим. Его можно еще находить как отношение . Где U – напряжение на первичной (1) и вторичной (2) обмотках. Таким образом:

.

У трансформатора переменного тока существуют 3 основных режима работы:

Режим холостого хода – режим работы трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой.
Режим рабочего хода (рабочий ход, режим) – режим работы трансформатора с включённой вторичной обмоткой в электрическую цепь (с подключенной нагрузкой ко вторичной обмотке).

Режим короткого замыкания – режим работы трансформатора с замкнутой вторичной обмоткой.

Режим короткого замыкания является недопустимым в работе трансформатора! Его следствием является выход трансформатора из строя.

Так как потери энергии при преобразовании электрического тока с помощью трансформатора очень малы, то мощность, потребляемая от сети переменного тока первичной обмоткой, почти полностью передается потребляющей электрической цепи вторичной обмоткой. Если же у трансформатора вторичных обмоток несколько, например три, то вся мощность распределяется между ними, в зависимости от количества витков в каждой обмотке, и толщины провода, которым эти обмотки намотаны:

Трансформатором называют статическое электромагнитное 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.

С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, а в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока. Возможность пере­дачи электрических сигналов от одной обмотки к другой посредством взаимоиндукции была открыта М. Фарадеем в 1831 г.; при изменении тока в одной из обмоток, намотан­ной на стальной магнитопровод, в другой обмотке индуциро­валась ЭДС. Однако первый практически работающий транс­форматор создал известный изобретатель П. Н. Яблочков в содружестве с И. Ф. Усагиным в 1876 г. Это был двухобмо-точный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом.

В настоящее время для высоковольтных линий электропередачи применяют силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200—1600 МВА

В последнее время для возбуждения мощных турбо-и гидрогенераторов, электропривода и других целей все шире начинают применять .

Принцип действия трансформатора

Принцип работы трансформатора связан с принципом электромагнитной индукции. Ток поступающий на первичную обмотку создает в магнитопроводе магнитный поток.

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1: U2=U1w2/w1.

При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток (I1=I2w2/w1,) отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним.

Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:

U1 > I1 > I1w1 > Ф > ε2 > I2.

Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сдвинут по фазе по отношению к току в первичной обмотке на 90°. ЭДС во вторичной обмотке пропорциональна первой производной от магнитного потока. Для синусоидальных сигналов первой производной от синуса является косинус, сдвиг фазы между синусом и косинусом составляет 90°. В результате, при согласном включении обмоток, трансформатор сдвигает фазу приблизительно на 180°. При встречном включении обмоток прибавляется дополнительный сдвиг фазы на 180° и суммарный сдвиг фазы трансформатором составляет приблизительно 360°.