Трансформатором называется электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения. Частота переменного тока при преобразовании энергии не изменяется. Упрощенная схема двухобмоточного трансформатора показана на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 - Упрощенная схема двухобмоточного
трансформатора
На замкнутом ферромагнитном сердечнике расположены две обмотки. Обмотка, к которой подводится напряжение от источника питания, называется первичной. К зажимам вторичной обмотки подключаются потребители электрической энергии. Под действием переменного напряжения в первичной обмотке возникает ток и в сердечнике возбуждается переменный магнитный поток .
Этот поток индуктирует ЭДС в первичной и во вторичной обмотках трансформатора:
, (5.1)
, (5.2)
где - число витков первичной обмотки, - число витков вторичной обмотки трансформатора.
При синусоидальном напряжении первичной обмотки трансформатора, магнитный поток в сердечнике также будет синусоидальным:
|
|
. (5.3)
Следовательно, ЭДС в первичной и вторичной обмотках:
(5.4)
Таким образом, ЭДС обмоток трансформатора отстают по фазе от потока на p/2. Действующие значения ЭДС обмоток трансформатора:
(5.5)
ЭДС уравновешивает основную часть напряжения источника питания , ЭДС создает напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора (нагрузке). При замыкании цепи вторичной обмотки в ней возникает ток , который образует собственный магнитный поток в сердечнике, складывающийся с потоком первичной обмотки. В результате создается общий магнитный поток сердечника, сцепленный с витками обеих обмоток трансформатора и определяющий в них результирующие ЭДС и . Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток, численно равное отношению числа витков первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации:
. (5.6)
Для понижающих трансформаторов и , для повышающих и .
Активная мощность, потребляемая трансформатором из сети:
. (5.7)
Активная мощность, отдаваемая потребителю:
. (5.8)
Если пренебречь потерями в трансформаторе, то приближенно , и тогда справедливы следующие выражения:
, . (5.9)
То есть, если напряжение вторичной обмотки в k раз меньше напряжения на первичной (понижающий трансформатор), то ток вторичной обмотки будет в k раз больше и, наоборот для повышающего трансформатора ток вторичной обмотки будет в k раз меньше тока первичной.