Методика эксперимента. Трансформатором называют техническое устройство, предназначенное для преобразования амплитудных значений переменных токов или напряжений при неизменной

Трансформатором называют техническое устройство, предназначенное для преобразования амплитудных значений переменных токов или напряжений при неизменной частоте. Конструкция трансформатора зависит от его назначения и частоты переменного тока цепи, где он включен. Трансформаторы, включаемые в цепи промышленной частоты (ν = 50 Гц), состоят из двух или более электрически изолированных обмоток, надетых на общий замкнутый сердечник 1 из магнито-мягкого ферромагнетика (рис. 5.19). Концы одной из обмоток, называемой первичной n₁, подключаются к сети питающего переменного тока с ЭДС Е (вход трансформатора), а концы других обмоток n₂, назы­ваемых вторичными, подключаются к потребителям электрической энергии (осветительные и электронагревательные приборы), электродвигатели, радиоприемники и т.п. (см. рис. 5.19).

Если ЭДС в первичной обмотке изменяется по гармоническому закону:

Е₁ = E_m cos(ωt),

где Е_m – амплитудное значение ЭДС, ω = 2 πv круговая частота,

то в цепи первичной обмотки потечет переменный ток I = I_m cos(ωt + φ) с той же частотой. Этот переменный ток первичной обмотки вызовет появление переменного магнитного поля, а следовательно, и переменного магнитного потока Ф = Ф_m × cоs(ωt + φ). Часть магнитного потока Ф, замкнувшись по ферромагнитному сердечнику, будет охватывать все обмотки трансформатора и наводить в них ЭДС индукции:

;

где n₁ и n₂ число витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно.

Обычно стремятся выполнить трансформаторы так, чтобы поток рассеяния первичной обмотки был мал, то есть Ф' < Ф. Применяя к обмоткам трансформатора закон Ома, находим мгновенное значение ЭДС на входе трансформатора, равное алгебраической сумме ЭДС индукции E_i1 и внешней ЭДС E₁:

и на выходе трансформатора:

E_вых .

Обычно технические трансформаторы изготовляют так, чтобы омическое сопротивление обмоток было мало, то есть R₁ → 0, тогда и R₁I₁→ 0 в режиме холостого хода, когда цепь вторичной обмотки разорвана и I₂ = 0, получим соотношение для мгновенных значений:

и .

Отношение ЭДС во вторичной обмотке Е₂, к ЭДС в первичной обмотке E₁, взятое по модулю, равно отношению числа витков во вторичной обмотке n₂ к числу витков в первичной обмотке n₁, и называется коэффициентом трансформации K:

.

Тогда мгновенное значение ЭДС во вторичной обмотке:

Е₂ = – K∙E_l = – K∙E_ml сos(ωt) = K∙E_m1сos (ωt + π),

то есть ЭДС в первичной и вторичной обмотках изменяются в противофазе (сдвинуты по фазе на 180^o). Когда к трансформатору подключена нагрузка и во вторичной обмотке протекает ток I₂, то, пренебрегая потерями энергии в трансформаторе, в соответствии с законом сохранения энергии для мгновенных значений мощностей, развиваемых в первичной и вторичной обмотках можно записать:

P₁ = E₁ ∙ I₁ = E₂∙ I₂ = P₂

или:

, тогда

.

Если трансформатор, повышающий по напряжению (Е₂ > E₁ и K > 1), то по току он понижающий (I₂ < I₁). Поскольку ток во вторичной обмотке изменяется в противофазе к току первичной обмотки, то создаваемый им переменный магнитный поток будет уменьшать магнитный поток первичной обмотки Ф, что приведёт к снижению коэффициента трансформации нагруженного трансформатора, по сравнению с режимом холостого хода. Потери энергии в трансформаторе обуславливают его КПД и складываются из потерь в меди обмоток и стали сердечника. Потери в меди обмоток связаны с их нагревом при протекании электрического тока. Эти потери удается понизить уменьшением омического сопротивления обмоток, то есть выполняя их из провода большого сечения и малого удельного сопротивления. Потери в стали сердечника связаны с разогревом его вихревыми токами, а также расходом энергии на перемагничивание. Вихревые токи удается уменьшить, набирая сердечник из тонких листов стали, изолированных друг от друга лаком. Потери на перемагничивание уменьшают, используя специальные сорта электротехнической стали, представляющей собой магнито-мягкий ферромагнетик с узкой петлей гистерезиса. КПД современных трансформаторов достигает 99%. Наряду с трансформаторами с изолированными обмотками, применяются трансформаторы, у которых вторичная обмотка является частью первичной. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами (рис. 5.20 и рис. 5.21). Если вывод обмотки выполнить в виде подвижного контакта, то получится автотрансформатор с плавно изменяемым коэффициентом трансформации ЛАТР – лабораторный автотрансформатор.