Принцип действия трансформатора

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 1.1), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока – электрической сети с напряжением сети . К вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки .

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и Х; обмотки НН – буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток , который создаёт переменный магнитный поток . Поток индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – и пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков и соответствующей обмотки и скорости изменения потока .

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке:

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением:

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3-5 % от номинальных значений и , и считать и , то получим

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении можно получить желаемое напряжение . Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков берут больше числа ; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение , то число витков берут меньшим ; такой трансформатор называют понижающим.

Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

Коэффициент всегда больше единицы.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остаётся приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, полная мощность, потребляемая из сети

практически полностью выделяется на нагрузке

Отсюда следуют соотношения между токами и напряжениями на первичной и вторичной обмотках трансформатора:

При уменьшении вторичного напряжения в раз по сравнению с первичным, ток во вторичной обмотке соответственно увеличится в раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а, следовательно, не передаётся электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим трансформатора неприемлем, так как из-за равенства нулю реактивного (индуктивного) сопротивления ток в первичной обмотке равен и на несколько порядков превышает действующий ток в цепи переменного тока.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать сопротивление нагрузки. Если к источнику переменного тока подключить нагрузку с сопротивлением через трансформатор с коэффициентом трансформации , то для цепи источника

где: – мощность, потребляемая трансформатором от источника переменного тока, Вт;
 – мощность, потребляемая нагрузкой с сопротивлением от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления нагрузки в раз. Это свойство широко используется при разработке электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.