Партнеры
Вход в систему
Яндекс.Метрика
on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 9 гостей.

Трансформатор

 Для преобразования напряжения на электростанциях и у потребителей используются трансформаторы.

 Трансформатор имеет сердечник замкнутой формы из магнитомягкого (легко перемагничиваемого) материала, который несет на себе две обмотки: первичную и вторичную. Концы первичной обмотки (вход трансформатора) подключают к сети переменного тока, а концы вторичной обмотки (выход) − к потребителю электрической энергии. ЭДС электромагнитной индукции, возникающая во вторичной обмотке, пропорциональна числу витков в ней.
 Поэтому, изменяя это число витков, можно изменять в широких пределах напряжение на выходе трансформатора.
 Рассмотрим принцип действия трансформатора. Пусть сначала вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на первичную подается переменное синусоидальное напряжение. Это режим холостого хода. Как и всякую катушку индуктивности, первичную обмотку трансформатора можно рассматривать как последовательно соединенные индуктивность L и активное сопротивление R. Напряжение UL на индуктивном сопротивлении RL = ωL первичной обмотки опережает по фазе ток и, следовательно, напряжение UR на ее активном сопротивлении на угол, равный π/2. Поэтому амплитудные значения поданного на первичную обмотку напряжения Uo1 и напряжений на R и L связаны соотношением
Uo1 = √{UoR2 + UoL2}.

 Разумеется, непосредственно измерить UL и UR по отдельности невозможно, так как первичная обмотка, строго говоря, не есть последовательно соединенные индуктивность L и активное сопротивление R: каждый элемент обмотки обладает одновременно индуктивностью и сопротивлением. Это так называемая цепь с рас-пределенными параметрами. Но при расчете можно заменить реальную обмотку на цепь с сосредоточенными параметрами − катушку индуктивности и резистор, соединенные последовательно, поскольку через каждый элемент исходной цепи идет один и тот же ток.
Напряжение на индуктивности UL в каждый момент времени компенсирует возникающую в первичной обмотке ЭДС самоиндукции E1, поэтому
UL = −E1.

 Если весь магнитный поток, создаваемый током первичной обмотки, целиком, т. е. без рассеяния, пронизывает вторичную обмотку, то индуцируемая в каждом витке вторичной обмотки ЭДС будет такой же, как и в каждом витке первичной обмотки. Поэтому отношение электродвижущих сил в первичной и вторичной обмотках равно отношению чисел витков:
E1/E2 = n1/n2.

 На выходе разомкнутой вторичной обмотки существует напряжение, равное индуцируемой в ней ЭДС:
U2 = E2.

Подставляя сюда E2 из и учитывая, получаем
U2 = n2E1/n1 = −n2UL/n1.

Режим холостого хода.

Таким образом, значение напряжения на разомкнутой вторичной обмотке трансформатора пропорционально не подаваемому на первичную обмотку напряжению U1, а лишь напряжению на индуктивном сопротивлении первичной обмотки UL.
Отсюда сразу становится ясна роль сердечника трансформатора. В самом деле, из формулы
Uo1 = √{UoR2 + UoL2}.
следует, что напряжение на индуктивности UL будет тем ближе к подаваемо-му на вход трансформатора напряжению U1, чем больше будет индуктивное сопротивление первичной обмотки wL по сравнению с ее активным сопротивлением R. Наличие сердечника из материала с высокой магнитной проницаемостью приводит к многократному увеличению индуктивности L. У такого трансформатора на холостом ходу
U2 = -(n2/n1)U1.
Знак минус означает, что эти напряжения находятся в противофазе. Благодаря большому индуктивному сопротивлению первичной обмотки ток в ней при разомкнутой вторичной цепи мал.

Трансформатор под нагрузкой.

 При замыкании вторичной цепи трансформатора на некоторую нагрузку во вторичной обмотке появляется ток. Создаваемый этим током магнитный поток направлен так, что, согласно закону Ленца, препятствует изменению магнитного потока, создаваемого током в первичной обмотке. Если бы при этом ток в первичной обмотке остался неизменным, то это привело бы к уменьшению магнитного потока. Значит, включение нагрузки во вторичную цепь эквивалентно уменьшению индуктивности первичной цепи.
 Но уменьшение индуктивного сопротивления немедленно приводит к увеличению тока в первичной обмотке, к уменьшению сдвига по фазе между напряжением и током и, следовательно, к увеличению потребляемой от внешней цепи мощности. Таким образом, если на холостом ходу трансформатор представляет собой почти чисто индуктивное сопротивление, то по мере увеличения нагрузки трансформатора, т. е. тока во вторичной цепи, характер сопротивления первичной обмотки трансформатора становится ближе к активному.
 Если потери энергии в самом трансформаторе малы, то на основании закона сохранения энергии потребляемая трансформатором мощность целиком передается нагрузке. Тогда с помощью
P = (1/2)IoUocosφ.

можно написать
(1/2)Uo1Io1cosφ1 = (1/2)Uo2Io2cosφ2,

где φ1 и φ2 − сдвиги фаз между током и напряжением в первичной и вторичной цепях.
 Приведенное выше рассмотрение работы трансформатора относится к идеализированному случаю трансформатора без потерь. В реальном трансформаторе всегда имеются потери, связанные с выделением джоулевой теплоты в обмотках, с токами Фуко, с необратимыми явлениями при перемагничивании сердечника и с рассеянием магнитного потока. Но в современных трансформаторах суммарные потери не превышают нескольких процентов от передаваемой мощности. Коэффициент полезного действия трансформаторов очень высок и лежит в пределах 95 − 99,5 %.