Трансформаторы

Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. Первые трансформаторы были сконструированы и введены в практику русским электротехником П.Н.Яблочковым (1847 – 1894) и русским физиком И.Ф.Усагиным (1855 – 1919). Принципиальная схема трансформатора показана на рис. 20.

Первичная и вторичная катушки (обмотки), имеющие соответственно n ₁ и n ₂ витков, укреплены на замкнутом железном сердечнике. Так как концы первичной обмотки присоединены к источнику переменного напряжения с э.д.с. E₁, то в ней возникает переменный ток создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который практически полностью локализован в железном сердечнике и, сле- Рис.20. довательно, почти целиком пронизывает витки вторич-ной обмотки. Изменение этого потока вызывает во вторичной обмотке появление э.д.с. электромагнитной индукции, а в первичной – э.д.с. самоиндукции.

По закону Ома, ток I ₁, первичной обмотки определяется алгебраической суммой внешней э.д.с. и э.д.с. самоиндукции: I ₁ R ₁=[E_i–d(n ₁Ф)/d t ], где R ₁ – сопротивление первичной обмотки. Падение напряжения I ₁ R ₁ на сопротивлении R ₁, при быстропеременных полях мало по сравнению с каждой из двух э.д.с., поэтому E₁» n ₁dФ/d t.

Э.д.с. электромагнитной индукции, возникающая во вторичной обмотке,

E₂= –[(d n ₂Ф)/d t ] = – n ₂(dФ/d t). (19.1)

Сравнивая выражения для E₁ и E₂, получим, что э.д.с., возникающая во вторичной обмотке,

E₂= –(n ₂/ n ₁) E₁, (19.2)

где знак минус показывает, что э.д.с. в первичной и вторичной обмотках противоположны по фазе. Отношение числа витков n ₁/ n ₂ показывающее, во сколько раз э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора больше (или меньше), чем в первичной, называется коэффициентом трансформации.

Пренебрегая потерями энергии, которые в современных трансформаторах не превышают 2% и связаны в основном с выделением в обмотках джоулевой теплоты и появлением вихревых токов, и применяя закон сохранения энергии, можем записать, что мощности тока в обеих обмотках трансформатора практически одинаковы:

E₂ I ₂ ≈ E₁ I ₁, (19.3)

откуда, учитывая соотношение (19.2), найдем E₂ /E₁ = I ₁/ I ₂ = n ₂/ n ₁, т.е. токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числу витков в этих обмотках.

Если n ₂/ n ₁>1, то имеем дело с повышающим трансформатором, увеличивающим переменную э.д.с. и понижающим ток (применяется, например, для передачи электроэнергии на большие расстояния, так как в данном случае потери на джоулеву теплоту, пропорциональные квадрату силы тока, снижаются). Если n ₂/ n ₁<1, то имеем дело с понижающим трансформатором, уменьшающим э.д.с. и повышающим ток (применяется, например, при электросварке, так как для нее требуется большой ток при низком напряжении).

Трансформаторы, исполъзуемые в радиотехнике, имеют 4–5 обмоток, обладающих разными рабочими напряжениями. Трансформатор, состоящий из одной обмотки, называется автотрансформатором. В случае повышающего автотрансформатора э.д.с. подводится к части обмотки, а вторичная э.д.с. снимается со всей обмотки. В понижающем автотрансформаторе напряжение сети подается на всю обмотку, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки.