Назначение и принцип действия трансформатора

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.