SA Трансформатор

Трансформатор

Для практического использования электрической энергии в различных устройствах и приборах необходимо уметь обеспечить самые различные значения напряжений. Для этого используются трансформаторы (от латинского слова transformo — преобразую). Трансформатор был изобретен в 1878 г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым.

• Трансформатор (рис. 1, а) — это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Схематическое изображение трансформатора показаны на рисунке 1, б.

• 

  а
• 

  б

Рис. 1

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на котором располагаются две или несколько обмоток. Обмотка трансформатора, на которую подается переменное напряжение, называется первичной, а обмотка, с которой снимается преобразованное переменное напряжение, — вторичной. Число витков в первичной обмотке трансформатора обозначим N₁, а во вторичной — N₂.

Обмотки трансформатора могут быть расположены на общем сердечнике различным образом (рис. 2).

Рис. 2

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Линии индукции магнитного поля, создаваемого переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника практически без потерь пронизывают витки вторичной обмотки. Поскольку магнитный поток во вторичной обмотке изменяется со временем (т.к. в первичной обмотке переменный ток), то согласно закону Фарадея в ней возбуждается ЭДС индукции. Трансформатор может работать только на переменном токе, т.к. магнитный поток, созданный постоянным током, не изменяется с течением времени.

Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС E₁ и с действующим значением напряжения U₁. На вторичной обмотке ЭДС E₂ и напряжение U₂.

Из законов Ома \(\left(I=\dfrac{{\rm E} }{R+r}, \; \; \; U=I\cdot R\right)\) следует, что напряжение на обмотке равно

\(U={\rm E} -I \cdot r,\) (1)

где r — сопротивление обмотки. При изготовлении трансформатора сопротивление первичной обмотки r₁ делают очень малым, поэтому часто им можно пренебречь. Тогда

\(U_{1} ={\rm E} _{1}.\)

Если пренебречь потерями магнитного потока в сердечнике, то в каждом витке вторичной обмотки будет индуцироваться точно такая же ЭДС индукции e₁, как и ЭДС индукции e₂ в каждом витке первичной обмотки, т.е. e₁ = e₂. Следовательно, отношение ЭДС в первичной E₁ и вторичной E₂ обмотках равно отношению числа витков в них:

\(\dfrac{E_{1} }{E_{2} } =\dfrac{N_{1} \cdot e_{1} }{N_{2} \cdot e_{2} } =\dfrac{N_{1} }{N_{2} }.\) (2)

• Отношение числа витков в первичной катушке N₁ к числу витков во вторичной N₂ называют коэффициентом трансформации:

\(k=\dfrac{N_{1} }{N_{2}}.\)

Режимы работы

Холостой ход

• Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой (I₂ = 0).

В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС (см. уравнение (1)):

\(U_{2} ={\rm E} _{2} -I_{2} \cdot r_{2} ={\rm E} _{2}.\)

Тогда из уравнения (2) получаем

\(\dfrac{U_{1}}{U_{2} } =\dfrac{N_{1} }{N_{2}}.\)

Так как \(\dfrac{N_{1}}{N_{2}} =k,\) то

\(\dfrac{U_{1} }{U_{2}} =k.\)

В зависимости от коэффициента трансформации k (числа витков N₁ и N₂) напряжение U₂ может быть как больше (k < 1), так и меньше напряжения U₁ (k > 1).

• Трансформатор, который увеличивает напряжение, называют повышающим, а трансформатор, который уменьшает напряжение — понижающим.

Рабочий ход

• Рабочим ходом трансформатора называют режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка.

При таком режиме работы из уравнения (1) получаем

\(U_{2} ={\rm E} _{2} -I_{2} \cdot r_{2},\)

где \(U_{2} =I_{2} \cdot R_{2},\) R₂ — сопротивление нагрузки.

Так как потери энергии в современных трансформаторах не превышают 2%, то можно записать, что мощности тока в обоих обмотках трансформатора практически одинаковы:

\({\rm E} _{1} \cdot I_{1} ={\rm E} _{2} \cdot I_{2}.\)

Тогда с учетом уравнения (2) получаем

\(\dfrac{{\rm E}_{1}}{{\rm E} _{2}} =\dfrac{I_{2}}{I_{1}} =\dfrac{N_{1} }{N_{2}} = k.\)

В повышающем трансформаторе (k < 1) напряжение U₂ > U₁, а сила тока I₂ < I₁. В понижающем трансформаторе все наоборот.

Режимом короткого замыкания

• Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки.

Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.

Потери трансформатора

При работе реального трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с различными физическими процессами:

• нагревание обмоток трансформатора;
• работа по перемагничиванию сердечника;
• рассеяние магнитного потока.

Наиболее значительные энергетические потери обусловлены тепловым действием вихревых токов (токов Фуко) возникающими в массивном проводнике при изменении пронизывающего его магнитного потока. Для их уменьшения сердечники трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком).

Современные трансформаторы имеют очень высокие КПД (95-99 %), что позволяет им работать практически без потерь.

Применение трансформаторов

• В электросетях. Подробнее см. Производство, передача и потребление электроэнергии

• В источниках электропитания. Для питания разных узлов электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками или содержат в схеме дополнительные трансформаторы. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа).

• Разделительные трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода (а также корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создаёт угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.

Литература

1. wikipedia Трансформатор
2. Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2009. — С. 52-55.