Трансформатор - устройство, принцип работы, виды и классификация с примерами

Содержание:

Трансформатор:

Генераторы переменного тока создают в расчете на определенные, сравнительно небольшие, значения напряжения и мощности. Для практического использования электрической энергии в различных устройствах и приборах необходимо уметь обеспечить самые различные значения напряжений. Для этого используются трансформаторы (от латинского слова transformo — преобразую). Трансформатор был изобретен в 1878 г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым.

Что такое трансформатор

Трансформатор (рис. 205, а) — это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Трансформатор, который увеличивает напряжение, называют повышающим, а трансформатор, который его уменьшает, — понижающим. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора показаны на рисунке 205, б, в.

В простейшем случае трансформатор состоит из двух обмоток, надетых на общий сердечник, одна из которых с числом витков 

Заметим, что обмотки трансформатора могут быть расположены различным образом на общем сердечнике (рис. 206).

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитный поток, создаваемый переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника практически без потерь пронизывает витки вторичной обмотки, возбуждая в ней ЭДС индукции. Таким образом, трансформатор может работать только на переменном токе.

Первичную обмотку трансформатора, как любую катушку индуктивности, можно рассматривать как последовательно соединенные катушку индуктивности L и активное сопротивление R. Тогда действующие значения поданного на первичную обмотку напряжения и напряжений на сопротивлении и индуктивности связаны соотношением 

Изменение магнитного потока через первичную обмотку вследствие прохождения по ней переменного тока приводит к возникновению ЭДС самоиндукции, при этом на первичной обмотке

Отметим, что это соотношение справедливо для мгновенных значений при а значит, и для амплитудных.

Чем больше индуктивное сопротивление первичной обмотки по сравнению с ее активным сопротивлением, тем меньше отличается напряжение от напряжения, подаваемого на первичную обмотку.

Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС с действующим значением напряжения Если весь магнитный поток, создаваемый переменным током в первичной обмотке, пронизывает вторичную обмотку без рассеяния, то в каждом витке вторичной обмотки будет индуцироваться точно такая же ЭДС индукции, как и ЭДС самоиндукции в каждом витке первичной обмотки. Следовательно, отношение ЭДС в первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков в них соответственно:

где е — значение ЭДС для одного витка.

Режимом холостого хода трансформатора

Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:

Следовательно,

Таким образом, при разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ней пропорционально напряжению на первичной обмотке. В зависимости от числа витков напряжение может быть как больше (трансформатор повышающий), так и меньше (трансформатор понижающий) напряжения

• Заказать решение задач по физике

Определение типа трансформатора

Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной:

В режиме холостого хода отношение действующих значений напряжений на концах первичной и вторичной обмоток трансформатора равно коэффициенту трансформации:

Как видим из формулы, при k > 1 трансформатор будет понижающим, а при k < 1 — повышающим.

Включение во вторичную цепь нагрузки приводит к появлению в ней тока. Магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, согласно правилу Ленца стремится уменьшить магнитный поток через витки первичной обмотки. Ослабление магнитного потока в сердечнике уменьшает ЭДС индукции в первичной обмотке. Это приводит к тому, что сила тока в ней будет расти до тех пор, пока магнитный поток в сердечнике не достигнет прежней величины. Следовательно, в стационарном режиме работы один и тот же магнитный поток пронизывает обе обмотки.
С учетом того, что , находим

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение мощности на нагрузке к мощности, потребляемой первичной обмоткой трансформатора

Так как КПД трансформаторов близок к 100 %, то Кроме того, если нагрузка трансформатора является активной, то Откуда следует, что Во сколько раз при помощи трансформатора увеличивается напряжение, во столько же раз уменьшается сила тока.

Следует отметить, что у трансформатора r режиме холостого хода для мгновенных и амплитудных значений выполняется соотношение

Знак «минус» означает, что напряжения на обмотках находятся в противофазе. Сила тока в первичной обмотке мала вследствие большого индуктивного сопротивления этой обмотки.

Рабочий ход (режим) трансформатора

Рабочим ходом (режимом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка с отличным от нуля сопротивлением. В этом случае действующие значения ЭДС, напряжений и токов в первичной и вторичной цепях согласно закону Ома для полной цепи связаны соотношениями:

Режим короткого замыкания

Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.

При работе реального трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с различными физическими процессами. В первую очередь они обусловлены вихревыми токами (токами Фуко), возникающими в сердечнике при изменении пронизывающего его магнитного потока. Они нагревают сердечник, что приводит к большим потерям энергии и разогреву трансформатора. Для предотвращения перегрева на мощных трансформаторах используется масляное охлаждение.

Для уменьшения тепловых потерь сердечники трансформаторов (магнитопроводы) изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком).

Перечислим процессы, приводящие к потерям энергии в трансформаторе: нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока; работа по перемагничиванию сердечника;
рассеяние магнитного потока.

Современные трансформаторы имеют очень высокие КПД (до 95—99%), что позволяет им работать практически без потерь.