Принцип действия трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Простейший однофазный двухобмоточный трансформатор стержневого типа состоит из стального магнитопровода 2 и двух расположенных на нём обмоток 1 и 3 (рис. 7.1). Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной (с большим числом витков изолированного медного или алюминиевого провода меньшего сечения). К другой обмотке, называемой вторичной (выполнена с меньшим числом витков аналогичного провода большего сечения), подключают потребители.

На витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, наводит в них переменные ЭДС е₁ и е₂.

Если ко вторичной обмотке присоединен какой-либо потребитель, то под действием ЭДС по её цепи потечет электрический ток i₂.

Чем больше нагрузка трансформатора, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

В каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э.д.с.

Трансформатор не может преобразовывать напряжение постоянного тока. Создаётся постоянный магнитный поток, который не может индуцировать э.д.с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

Режимы работы трансформатора

1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике.

2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Режим холостого хода

Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Режим короткого замыкания

В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания Uк на ток короткого замыкания Iк.

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

Режим с нагрузкой

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает нагрузочный ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение «трансформатора».

2. Классификация трансформаторов.

3. На чём основан принцип действия трансформатора?

4. Перечислите основные элементы конструкции однофазного двухобмоточного трансформатора стержневого типа?

5. Какая обмотка называется первичной?

6. Какая обмотка называется вторичной?

7. По какой схеме соединяются между собой первичная и вторичная обмотки?

8. Почему вторичная и первичная обмотки имеют различное сечение проводов?

9. Какая существует зависимость между нагрузкой трансформатора и током, поступающим из сети в первичную обмотку.

10. Почему трансформатор не может преобразовывать постоянный ток?

11. Для чего трансформатору требуется охлаждение?