Трансформатор

Трансформатор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования величин напряжения и силы переменного тока посредством взаимной индукции. Он имеет сердечник из мягкого ферромагнетика, который несет на себе две обмотки, – первичную и вторичную. Первичная обмотка содержит витков, к ней приложено переменное напряжение , течет ток при сопротивлении (рис. 92.1).

Переменный ток создает в ферромагнитном сердечнике трансформатора переменный магнитный поток, который почти полностью (за исключением потока рассеяния) пронизывает вторичную обмотку. Изменение этого потока вызывает появление во вторичной обмотке ЭДС индукции, а в первичной – ЭДС самоиндукции:

. (92.1)

Здесь – ЭДС, возникающая в одном витке. По закону Ома для первичной обмотки

. (92.2)

Из формул (92.1) и (92.2) получаем:

. (92.3)

Рассмотрим работу трансформатора в режиме холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута. В этом случае падение напряжения мало:

и тогда выражение (92.3) преобразуется к виду

. (92.4)

Вторичная обмотка содержит витков. Так как сердечник общий, то значение во вторичной обмотке будет то же самое. ЭДС, возникающая во вторичной обмотке, будет равна напряжению на ней:

. (92.5)

Разделив соотношение (92.5) на выражение (92.4), получим:

, (92.6)

где k – коэффициент трансформации.

Если k > 1, трансформатор называется повышающим, для него . Для понижающего трансформатора k < 1 и . Заметим, что формула (92.6) справедлива только для режима холостого хода, с изменением нагрузки трансформатора численное значение k не меняется.

При замыкании вторичной обмотки на внешнюю цепь трансформатор переходит в режим нагрузки. При этом во вторичной обмотке появляется ток нагрузки (индукционный ток), который ослабляет магнитный поток в сердечнике. Это вызывает уменьшение в первичной обмотке, вследствие чего ток в первичной обмотке увеличивается по сравнению с током холостого хода. Увеличение тока в первичной обмотке происходит настолько, что создаваемый им дополнительный магнитный поток компенсирует уменьшение потока вторичной обмотки, поэтому рабочий магнитный поток в сердечнике остается почти без изменения.

В соответствии с законом сохранения энергии, пренебрегая потерями, можно записать: или . Отсюда

. (92.7)

По числу фаз, преобразующих напряжение, трансформаторы бывают однофазные и трехфазные. В зависимости от мощности трансформаторы выполняются либо с воздушным, либо с масляным охлаждением. Однофазный трансформатор состоит из сердечника и двух обмоток. На практике часто применяются многообмоточные трансформаторы, у которых при одной первичной обмотке имеются несколько вторичных с разным количеством витков для получения нужных напряжений. Трехфазный трансформатор получают из трех одинаковых однофазных трансформаторов или выполняют на общем сердечнике.

Автотрасформатор имеет одну обмотку (рис. 92.2). Она является обмоткой высокого напряжения. Обмотка низкого напряжения составляет лишь часть этой обмотки. Автотрансформатор используется для преобразования низких напряжений.

Трансформаторы имеют высокий КПД, доходящий до 98 %. Потери энергии связаны с выделением в обмотках джоулева тепла, появлением вихревых токов в сердечнике и с рассеянием магнитного потока (часть линий индукции, создаваемых первичной обмоткой, выходит из сердечника и замыкается вне вторичной обмотки).

Приоритет в изобретении трансформатора принадлежит русскому ученому П. Н. Яблочкову. В 1876 г. он впервые применил трансформатор для питания переменным током изобретенных им электрических свечей. В 1888 г. на Московской промышленной выставке трансформатор несколько измененной конструкции демон-стрировался русским электротехником И. Ф. Усагиным. Трехфазный трансформатор на общем сердечнике был изобретен в 1891 г. М. О. Доливо-Добровольским. Им же в 1892 г. был изобретен автотрансформатор.