Принцип действия трансформатора

Трансформатор. Назначение и область применения трансформаторов

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, которое служит для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения той же частоты. Это аппарат переменного тока.

Основное место применения трансформатора – это распределение электроэнергии (силовой трансформатор).

Принцип действия трансформатора

Принцип действия основан на явлении взаимоиндукции. Явление взаимоиндукции заключается в наведении ЭДС индукции в данном контуре при изменении тока в другом контуре.

Переменный ток, протекающий по первому контуру, создает переменное магнитное поле с магнитным потоком Ф₁, этот магнитный лоток можно разложить на следующие составляющие:

.

Поток Ф пронизывает как первый контур, так и второй, т.е. является общим для обоих контуров, этот поток называется основным магнитным потоком или потоком взаимоиндукции.

Поток Ф (переменный) наводит ЭДС индукции как в первом, так и во втором контуре. e ₁ – ЭДС самоиндукции первого контура, e ₂ – ЭДС взаимоиндукции второго контура.

;

.

Часть потока Ф не попадает во второй контур, а связана только с первым контуром. Магнитный поток замыкающийся вокруг только одного контура называется магнитным потоком рассеяния и ЭДС индукции которую он наводит называется ЭДС рассеяния.

Если второй контур замкнут, то под действием ЭДС e ₂ в нем будет протекать ток i ₂ и в сопротивлении z _н будет выделяться мощность. Эта мощность передана из первого контура электромагнитным путем.

Ток i ₂ будет учувствовать в создании магнитного потока Ф и создаст свой поток рассеяния связанный только со вторым контуром.

С ростом тока нагрузки возрастает ток вторичной обмотки, что приводит к возрастанию тока первичной обмотки, что в свою очередь приводит к возрастанию Ф₁ и Ф₂, однако, результирующий магнитный поток Ф останется постоянным и зависящим только от приложенного напряжения. Это происходит потому, что при появлении вторичного магнитного потока при подключении нагрузки суммарный магнитный поток должен уменьшиться, что привело бы к уменьшению E ₁, которое уравновешивается приложенным напряжением U ₁. Следовательно, для достижения E ₁ прежнего значения, из-за тою. что U ₁ неизменно, ток I ₁ в первичной обмотке возрастает. Это свойство трансформатора называется способностью саморегулирования.

Роль контуров в трансформаторе играют катушки с определенным числом витков W ₁ и W ₂. Катушки располагаются на магнитопроводе, улучшающем магнитную связь между катушками, выполненном из листов электротехнической стали (ферромагнитного материала).

Когда катушки расположены на магнитопроводе основной магнитный поток замыкается по магнитопроводу и магнитное сопротивление для него небольшое. Поток рассеяния замыкается в основном по воздуху и магнитное сопротивление для него большое. Ф >> Фр.

Приложим к первичной катушке напряжение . По первичной катушке начинает протекать синусоидальный ток. Этот ток создаст магнитный поток изменяющийся по синусоидальному закону. Этот магнитный поток наведет ЭДС индукции в первичной и вторичной катушках. Действующее значение этих ЭДС E ₁ и E ₂. Магнитные потоки первичной и вторичной катушек можно считать одинаковыми.

;

.

Отношение ЭДС первичной катушки к ЭДС индукции вторичной катушки называется коэффициентом трансформации трансформатора:

.

В трансформаторе происходит обратная трансформация токов, т.е. больший ток протекает в цепи с меньшим напряжением и наоборот. Обмотки выполнены из провода разного сечения. Катушки с более высоким напряжением и меньшим током выполнены из провода меньшего сечения.

Наряду с изменением тока и напряжения, трансформатор изменяет сопротивление. Предположим, во вторичной цепи включено сопротивление z ₂, тогда по отношению к первичной цепи это сопротивление будет иметь величину . Этим часто пользуются в электронных устройствах для согласования сопротивлений.