Принцип дії трансформатора

Принцип роботи трансформатора розглянемо на прикладі однофазного трансформатора з двома обмотками, первинна обмотка якого з числом витків w1 включена в однофазну мережу змінного струму з напругою u1, а вторинна обмотка з числом витків w2 замкнута на опір навантаження Zн. Під дією прикладеної напруги u1 первинною обмоткою протікає струм i1, що створює магніторушійну силу первинної обмотки F1 = i1·w1, яка призводить до появи змінного магнітного потоку. Основна частина потоку (потік взаємоіндукції Ф0) замикається по магнітопроводі, зчіплюється з обома обмотками і наводить в них ЕРС e1 та e2. Невелика частина потоку Фσ1, названа потоком розсіювання первинної обмотки, замикається по повітрю безпосередньо навколо цієї обмотки.

У вторинній обмотці ЕРС e2 викликає струм i2, на опорі навантаження Zн знімається вихідна напруга u2 = i2·Zн і вихідна потужність P2 = u2·i2. Одночасно струм i2 створює магніторушійну силу вторинної обмотки F2 = i2·w2, напрямок якої в контурі магнітопроводу визначається за правилом Ленца. Значення потоку взаємоіндукції Ф0 визначається результуючим дією магніторушійної сили F1 і F2. В обох обмотках ЕРС взаємоіндукції визначаються відповідно до закону електромагнітної індукції:

e1 = - w1dФ0/dt; e2 = - w2dФ0/dt

Потік Фσ1 наводить ЕРС самоіндукції в первинній обмотці:

eσ1 = - Lσ1di1/dt

де Lσ1 – індуктивність первинної обмотки, відповідна до потоку розсіювання.

При збільшенні струму навантаження i2 магніторушійна сила F2 прагне зменшити потік Ф0 і тим самим – ЕРС e1. Оскільки трансформатори виконують з мінімальними потоками розсіювання і мінімальним активним опором обмоток, основна частина прикладеної напруги u1 врівноважується ЕРС e1, яка спрямована в контурі обмотки зустрічно напрузі u1. При незмінній амплітуді напруги u1 струм i1 збільшується. Таким чином, приріст вихідної потужності покривається за рахунок збільшення споживаної потужності P1 = u1·i1. Збільшення струму i1 призводить до збільшення магніторушійної сили F1, і потік Ф0 відновлюється до колишнього значення. Невелике зменшення потоку може бути викликане падінням частини прикладеної напруги на опорі обмотки. Ця зміна тим більша, чим менша потужність трансформатора, однак при зміні струму навантаження від нуля (холостий хід) до номінального значення воно не перевищує декількох відсотків.

Співвідношення напруг на вході і виході трансформатора визначається в основному співвідношенням ЕРС взаємоіндукції в первинній та вторинній обмотках, яке називається теоретичним коефіцієнтом трансформації:

Kт = E1/E2 = w1/w2

Як видно, співвідношення напруг на обмотках трансформатора визначається співвідношенням кількості витків.

При проектуванні і виготовленні магнітопроводів трансформаторів слід зводити до мінімуму повітряні зазори на шляху основного магнітного потоку, так як магнітна проникність повітря значно менша від магнітної проникності феромагнітних матеріалів.

Слід зазначити, що поряд з трансформаторами, що мають фіксований коефіцієнт трансформації, випускається ряд типів трансформаторів з регульованою вторинною напругою. В основному регулювання здійснюється зміною співвідношення між числами витків первинної і вторинної обмоток. При ступінчастому регулюванні обмотка, зазвичай вторинна, має ряд відгалужень з різним числом витків. Для плавного регулювання трансформатор може бути виготовлений з ковзаючим контактом – щітками, що переміщаються неізольованою контактною доріжкою на поверхні провідників вторинної обмотки і підключають до виходу різне число витків.