Принцип действия трансформатора

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Рис. 1. Схема конструкции трансформатора

Схема конструкции простейшего трансформатора приведена на рис. 1. На замкнутом ферромагнитном сердечнике расположены две обмотки. К одной обмотке, называемой первичной, подводится электрическая энергия, от другой – вторичной обмотки – энергия отводится к приемнику (нагрузке). Все величины, относящиеся к этим обмоткам (токи, ЭДС и т. д.), называются соответственно первичными или вторичными. Под действием напряжения в первичной обмотке трансформатора возникает ток . Намагничивающая сила этого тока возбуждает в магнитопроводе изменяющийся во времени магнитный поток

,

где – число витков первичной обмотки. Этот поток индуцирует в обмотках трансформатора ЭДС, мгновенные значения которых равны:

,

а действующие значения определяются уравнением трансформаторных ЭДС

,

где – число витков вторичной обмотки, – частота напряжения .

Напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения:

. (1)

Это уравнение электрического состояния первичной обмотки. При замыкании вторичной цепи ЭДС создает ток . Уравнение вторичной цепи при этом будет иметь вид:

(2)

где – собственное сопротивление вторичной обмотки. Сопротивления

где – активные сопротивления, а – индуктивные сопротивления рассеяния обмоток трансформатора. Ток стремится возбудить в сердечнике трансформатора собственный магнитный поток, который направлен встречно основному потоку и стремится его ослабить. Но основному потоку пропорциональна ЭДС , поэтому уменьшение основного магнитного потока нарушило бы электрическое равновесие (1) на первичной обмотке, так как первичное напряжение было бы частично не уравновешено. Следовательно, одновременно с возникновением вторичного тока увеличивается первичный ток настолько, что компенсирует размагничивающее действие вторичной обмотки и восстанавливает электрическое равновесие на первичной обмотке. Таким образом, любое изменение вторичного тока вызывает соответствующее изменение первичного тока, но практически не влияет на амплитуду основного потока. Следовательно, пока не изменяется первичное напряжение трансформатора, остается практически постоянной и амплитуда основного магнитного потока .

Одним из основных конструктивных параметров трансформатора является коэффициент трансформации. Он равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной:

,

и, следовательно, он определяет отношение ЭДС

Амплитуда магнитного потока в сердечнике трансформатора постоянна, следовательно, должны быть равны создающие этот поток намагничивающие силы как при холостом ходе , так и при работе на нагрузку. Отсюда получаем уравнение намагничивающих сил:

, (3)

где – ток холостого хода трансформатора.

Разделив обе части (3) на , получим:

. (4)

Таким образом, ток первичной обмотки может быть представлен как геометрическая сумма двух токов: тока холостого хода , идущего в основном на создание основного магнитного потока трансформатора и тока , компенсирующего воздействие на поток сердечника намагничивающей силы вторичной обмотки.

1.2. Внешняя характеристика и трансформатора

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от тока нагрузки при и называется внешней характеристикой трансформатора. Вид внешней характеристики определяется характером нагрузки (рис. 2). Кривая 2 соответствует чисто активному, кривая 1 – активно-индуктивному, 3 – активно-емкостному сопротивлению нагрузки.

Рис. 2. Внешние характеристики трансформатора

Причиной изменения вторичного напряжения является падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора. На рис. 3 приведена зависимость от тока для трансформатора, работающего на активную нагрузку. Наименьшее значение cosφ1 соответствует работе трансформатора в режиме холостого хода, в среднем . С ростом тока величина увеличивается и при активно-индуктивной нагрузке , где – коэффициент мощности нагрузки.

Рис. 3. Зависимость , , и трансформатора от нагрузки