Трансформаторы. Принцип действия трансформатора. Режимы работы трансформатора. Режим холостого хода

МОДУЛЬ  №  6. Трансформаторы

Трансформатором называется статический (не имеющий движущихся частей) электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформаторы играют очень важную  роль при передаче и распределении электрической энергии. Для передачи энергии на большие расстояния напряжение в линии электропередачи должно быть очень высоким. При этом ток протекающий по проводам будет небольшим, что позволяет применять провода малого сечения. Однако источники (генераторы) строятся на небольшое напряжение, поэтому необходимо сначала  повысить напряжение  для передачи, а потом понизить его для потребления.

6.1. Принцип действия трансформатора.

Трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и обмоток. Сердечник, для уменьшения потерь, собирается   из тонких, изолированных друг от друга, листов трансформаторной стали. Он может быть стержневым или броневым. Стержневой сердечник имеет два стержня и два ярма. На стержнях располагаются обмотки, ярмо замыкает магнитную цепь. Броневой сердечник более устойчив. Обмотки располагаются на центральном стержне. В них затруднены охлаждение и доступ к обмотке при ремонте. На практике чаще применяют стержневые сердечники..

Стержневой                                                       Броневой

Обмотки трансформатора делаются из изолированной медной проволоки. Для уменьшения рассеяния обмотки высшего и низшего напряжения располагаются на одном стержне.   Одна обмотка (первичная, ей соответствует индекс 1)

                       I₁                                           Ф                                                     I₂        

           ≈ U₁                 Е₁                         W₁                         Е₂                    W₂                                U₂        Z_н        

включается в питающую сеть переменного тока, к другой обмотке (вторичной, ей соответствует индекс 2) присоединяется внешняя сеть (нагрузка).

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Приложенное к первичной обмотке напряжение U₁  вызывает в ней ток I ₁.  Этот ток создает переменный магнитный поток  Ф, большая часть  которого проходит по сердечнику. Магнитные силовые линии основного магнитного потока пересекают первичную и вторичную обмотки и индуктируют в них э.д.с. Е₁ , Е₂. Если ко вторичной обмотке подключить внешнюю цепь, то появится ток  I₂. 

Из сказанного следует, что при включении внешней цепи возникает магнитный поток, который создает в обмотках трансформатора э. д. с. определяемые выражениями

Е₁ = 4,44 f Ф_м W₁          и              Е₂ = 4,44 f Ф_м W₂

Разделив Е₁ на Е₂   и произведя сокращение, получим

  Е₁ / Е₂  =   W₁ / W₂  = k 

Величина  k называется коэффициентом трансформации.

При холостом ходе трансформатора U₂ = E₂ , а U ₁ ≈ E₁.  Используя эти данные получим

U₁ / U₂  =   W₁ / W₂  = k

На практике под коэффициентом трансформации обычно понимается отношение большего напряжения к меньшему. Поэтому для понижающего трансформатора ( W₁  ›   W₂) справедливо выражение U₁ / U₂  =   W₁ / W₂  = k, тогда как для повышающего   трансформатора  ( W₂  ›   W₁)

U₂  / U₁ =   W₂ / W₁  = k. Из этих выражений следует U₂ = U₁ W₂ / W₁  . Это выражение показывает, что вторичное напряжение зависит от отношения числа витков в обмотках трансформатора. Если

W₂  ›   W₁ трансформатор будет повышать напряжение, а при  W₂   ‹   W₁ – понижать.

Пренебрегая потерями в трансформаторе и выражая  полную мощность, получим

U₁ I₁ ≈ U₂ I ₂

Откуда для повышающего трансформатора  I₂ / I₁ ≈ U₁ / U₂ ≈ 1/ k , т.е. при трансформировании ток изменяется обратно пропорционально изменению напряжения.

6.2. Режимы работы трансформатора.

 6.2.1. Режим холостого хода.

В этом режиме   на первичную обмотку существует номинальное напряжение U ₁ ≈ E_1, а цепь вторичной обмотки разомкнута, т.е.  U₂ = E₂ .

I_{1 х.х.}

                                  U₁ = E₁                         U₂ = E₂  

В этом режиме ток холостого хода  I_{1 х.х.} в первичной обмотке мал, но достаточен для создания магнитного потока. Ток вторичной цепи I₂ = 0. Таким образом можно считать, что холостой ход позволяет более точно  определить значение э.д.с. первичной и вторичной цепи, а следовательно и коэффициент трансформации трансформатора

k  =   Е₁ / Е_{2 .}