ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Трансформатором называется устройство, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции: при изменении потока магнитной индукции Φ, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в нём возникает электрический ток.Направлен этот ток, называемый индукционным, всегда так, чтобы максимально противодействовать вызывающей его причине. ЭДС индукции определяется уравнением Фарадея–Ленца:

.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника (магнитопровода), на который намотаны две (или более) обмотки (Рис. 46.1). Обмотки эти электрически изолированы друг от друга. Сердечник собирается из отдельных листов трансформаторной стали с малой коэрцитивной силой, разделённых изолирующими слоями лака, бумаги или пластика. Применение наборных сердечников уменьшает величину индукционных (вихревых) токов, возникающих в них, что увеличивает КПД трансформатора.

Рис. 46.1.

Первичной называется обмотка трансформатора, соединённая с внешним источником переменного напряжения. Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке - число витков n₁, напряжение U₁, сила тока I₁, мощность Р₁ и т.д. Обмотка, с которой снимается электроэнергия, и, соответственно, относящиеся к ней величины называются вторичными -n₂, U₂, I₂, Р₂, R₂, X_L2, Z₂.

Ток I₁ в первичной обмотке трансформатора возникает под действием первичного синусоидального напряжения U₁. Этот ток порождает в магнитопроводе переменный магнитный поток: Φ = Φ_msinwt. Этот поток, пронизывая обе обмотками трансформатора, индуцирует в них ЭДС, мгновенные значения которых будут по закону Фарадея-Ленца равны:

e1 = -n1· = -w·n1·Φm·coswt = Em1·sin(wt - p/2),	46.1
e2 = -n2· = -w·n2·Φm·coswt = Em2·sin(wt - p/2)	46.2

Из формул видно, что ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках отстаёт по фазе от магнитного потока. Отношение мгновенных, амплитудных и действующих значений этих ЭДС равно отношению чисел витков обмоток трансформатора:

46.3

Отношение K называется коэффициентомтрансформации. Это важнейшая характеристика трансформатора. Если устройство трансформатора таково, что K > 1 (то есть вторичное напряжение U₂ больше первичного U₁), то трансформатор называется повышающим, если K < 1 (то есть U₂ < U₁), то - понижающим.

Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора называют отношение мощности, выделяемой на нагрузке, к мощности, потребляемой первичной обмоткой от сети:

.

46.4

При номинальной (то есть той, на которую он рассчитан) нагрузке мощного трансформатора его КПД очень высок - до 95%. Он существенно понижается лишь при малых нагрузках или у маломощных трансформаторов.

Рассмотрим работу трансформатора с точки зрения закона сохранения энергии. Из мощности Р₁, подведённой к первичной обмотке, часть Р_пр1 расходуется на нагревание проводов первичной обмотки, а часть Р_с затрачивается в сердечнике на потери от перемагничивания (гистерезиса) и вихревых токов. Остальная мощность передается во вторичную обмотку:

Р₁₂ = Р₁ - Р_пр1 - Р_с.

Во вторичной обмотке часть мощности Р_пр2 теряется на нагревание проводов, а оставшаяся Р₂ передается во вторичную цепь:

Р₂ = Р₁₂ - Р_пр2 = Р₁ - Р_пр1 - Р_с - Р_пр2.

В реальных трансформаторах часть магнитного потока замыкается вне магнитопровода, образуя потоки рассеяния. Однако в современных трансформаторах эти потоки малы по сравнению с основным потоком в магнитопроводе, в результате чего потери передаваемой мощности минимальны.

Напряжения, токи и ЭДС в обмотках (без учёта ЭДС, наводимых потоками рассеяния) связаны соотношениями:

u₁ + e₁ = i₁r₁

u₂ + i₂r₂ = e₂.

Если напряжение u₁, приложенное к первичной обмотке синусоидальное, то магнитный поток Φ и ЭДС e₁ и e₂ будут также синусоидальными, поэтому при анализе работы трансформатора удобно рассматривать действующие значения ЭДС Е₁ и Е₂, напряжений U₁ и U₂ и токов I₁ и I₂. Омические сопротивления обмоток обычно малы и ими в ряде случаев можно пренебречь.

Основные характеристики трансформатора и его параметры могут быть изучены в опытах холостого хода трансформатора, в опытах его рабочего режимаи в опытах короткого замыкания.