Трансформатор

 1. Основы теории трансформаторов

Во время рас­смот­ре­ния от­кры­тия элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции мы об­ра­ща­лись к опы­там Фа­ра­дея. На один сер­деч­ник были на­мо­та­ны две ка­туш­ки: одна свер­ху дру­гой, при этом внут­рен­няя ка­туш­ка ока­зы­ва­лась в маг­нит­ном поле внеш­ней ка­туш­ки (рис. 1.). Это и был пер­вый шаг на пути со­зда­ния транс­фор­ма­то­ра.

Транс­фор­ма­тор

Рис. 1. Транс­фор­ма­тор

Схема транс­фор­ма­то­ра впер­вые по­яви­лась в ра­бо­тах Фа­ра­дея и Джо­зе­фа Генри. Од­на­ко ни один учё­ный не от­ме­чал в воз­мож­но­стях из­ме­не­ние на­пря­же­ний и тока – транс­фор­ми­ро­ва­ние пе­ре­мен­но­го тока.

30 но­яб­ря 1876 г. счи­та­ет­ся датой рож­де­ния пер­во­го транс­фор­ма­то­ра. В этот день П. Н. Яб­лоч­ков (рис. 2) по­лу­чил па­тент на изоб­ре­те­ние дан­но­го устрой­ства. После этого воз­ник на­уч­ный ин­те­рес к изу­че­нию пе­ре­мен­но­го тока. И, как след­ствие, воз­ник ин­те­рес к изу­че­нию ме­тал­ли­че­ских, неме­тал­ли­че­ских, маг­нит­ных ма­те­ри­а­лов и со­зда­нию о них тео­рий.  

Яб­лоч­ков П. Н.

Рис. 2. Яб­лоч­ков П. Н.

Рас­смот­рим неко­то­рые ос­но­вы тео­рии транс­фор­ма­то­ров. Транс­фор­ма­тор – это тех­ни­че­ское устрой­ство, пред­на­зна­чен­ное для пре­об­ра­зо­ва­ния пе­ре­мен­но­го тока, при ко­то­ром на­пря­же­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся или умень­ша­ет­ся в несколь­ко раз. Любой транс­фор­ма­тор (рис. 3) со­сто­ит из си­сте­мы ка­ту­шек и сер­деч­ни­ка.

Транс­фор­ма­тор

Рис. 3. Транс­фор­ма­тор

 

Схема транс­фор­ма­то­ра

Рис. 4. Схема транс­фор­ма­то­ра

Ба­зо­вый прин­цип дей­ствия транс­фор­ма­то­ра (рис. 4) со­сто­ит в том, что в ос­но­ве его ра­бо­ты лежит яв­ле­ние элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции. Одну из ка­ту­шек – пер­вич­ную – под­клю­ча­ют к ис­точ­ни­ку пе­ре­мен­но­го тока. Про­те­ка­ю­щий по пер­вич­ной об­мот­ке пе­ре­мен­ный ток со­зда­ёт пе­ре­мен­ный маг­нит­ный поток, про­ни­зы­ва­ю­щий сер­деч­ник – маг­ни­то­про­вод. Из­ме­ня­ю­щий­ся в сер­деч­ни­ке маг­нит­ный поток со­зда­ёт ЭДС ин­дук­ции во вто­рой ка­туш­ке. Эта ЭДС ин­дук­ции со­зда­ёт во вто­рич­ной об­мот­ке пе­ре­мен­ный ток.

На рис. 5 при­ве­де­на прин­ци­пи­аль­ная схема транс­фор­ма­то­ра. Так транс­фор­ма­тор обо­зна­ча­ет­ся сле­ду­ю­щим об­ра­зом: цен­траль­ная ши­ро­кая линия со­от­вет­ству­ет сер­деч­ни­ку, пер­вич­ная об­мот­ка, обыч­но слева, и вто­рич­ная об­мот­ка – спра­ва, число по­лу­окруж­но­стей в очень гру­бом при­бли­же­нии сим­во­ли­зи­ру­ет число вит­ков в об­мот­ке.

прин­ци­пи­аль­ная схема транс­фор­ма­то­ра

Рис. 5.Прин­ци­пи­аль­ная схема транс­фор­ма­то­ра

 2. Холостой режим

Су­ще­ству­ет два ре­жи­ма ра­бо­ты транс­фор­ма­то­ра. Рас­смот­рим си­ту­а­цию, при ко­то­рой вто­рич­ная об­мот­ка не за­мкну­та на на­груз­ку по­тре­би­те­ля. Такой режим ра­бо­ты на­зы­ва­ет­ся хо­ло­стой ход. При про­пус­ка­нии пе­ре­мен­но­го тока через пер­вич­ную об­мот­ку в сер­деч­ни­ке воз­ни­ка­ет пе­ре­мен­ный маг­нит­ный поток. Сер­деч­ник устро­ен таким об­ра­зом, чтобы маг­нит­ный поток пол­но­стью оста­вал­ся внут­ри этого сер­деч­ни­ка. Мгно­вен­ное зна­че­ние ЭДС ин­дук­ции в любом витке будет равно пер­вой про­из­вод­ной маг­нит­но­го по­то­ка со зна­ком минус.

                                                                    (1)

Если поток ме­ня­ет­ся по гар­мо­ни­че­ско­му за­ко­ну, то и ЭДС ин­дук­ции будет ме­нять­ся по гар­мо­ни­че­ско­му за­ко­ну, но со сдви­гом фазы 90°.

                                                     (2)

                                                         (3)

В пер­вич­ной об­мот­ке с чис­лом вит­ков Nпол­ная ЭДС ин­дук­ции будет равна про­из­ве­де­нию мгно­вен­но­го зна­че­ния ЭДС на число вит­ков в этой об­мот­ке.

                                                                (4)

Во вто­рич­ной об­мот­ке сум­мар­ное зна­че­ние ЭДС также будет равно про­из­ве­де­нию мгно­вен­но­го зна­че­ния ЭДС на число вит­ков во вто­рич­ной об­мот­ке.

                                                                (5)

От­но­ше­ние ЭДС в пер­вич­ной об­мот­ке к ЭДС в вто­рич­ной об­мот­ке равно от­но­ше­нию числа вит­ков в пер­вич­ной и вто­рич­ной об­мот­ках.

                                                                       (6)

По­сколь­ку обыч­но элек­три­че­ское со­про­тив­ле­ние об­мо­ток транс­фор­ма­то­ра – до­ста­точ­но малая ве­ли­чи­на, ко­то­рой можно пре­не­бречь, то мо­дуль на­пря­же­ния на за­жи­мах пер­вич­ной ка­туш­ки при­бли­зи­тель­но равен ЭДС ин­дук­ции пер­вич­ной ка­туш­ки.

                                                                   (7)

При хо­ло­стом ходе вто­рич­ная об­мот­ка не за­мкну­та – ток в ней не про­те­ка­ет, сле­до­ва­тель­но, на­пря­же­ние между за­жи­ма­ми вто­рич­ной об­мот­ки равно ЭДС ин­дук­ции в этой об­мот­ке.

                                                                   (8)

Мгно­вен­ные зна­че­ния ЭДС в обеих об­мот­ках из­ме­ня­ют­ся син­фаз­но: од­но­вре­мен­но до­сти­га­ют мак­си­му­ма, ми­ни­му­ма и про­хо­дят через ноль. Сле­до­ва­тель­но, от­но­ше­ние ЭДС в обеих об­мот­ках можно за­ме­нить на от­но­ше­ние двух дей­ству­ю­щих на­пря­же­ний в них. Так, для двух ка­ту­шек транс­фор­ма­то­ра от­но­ше­ние числа вит­ков – ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная – ко­эф­фи­ци­ент транс­фор­ма­ции (K).

                                                                 (9)

Если K > 1, на­пря­же­ние на за­жи­мах вто­рич­ной ка­туш­ки мень­ше, чем на­пря­же­ние на за­жи­мах пер­вич­ной, а транс­фор­ма­тор с таким ко­эф­фи­ци­ен­том – по­ни­жа­ю­щий. Если K < 1, на­пря­же­ние на за­жи­мах вто­рич­ной об­мот­ки боль­ше, чем на­пря­же­ние на за­жи­мах пер­вич­ной об­мот­ки, и транс­фор­ма­тор – по­вы­ша­ю­щий.

В ре­жи­ме хо­ло­сто­го хода, когда вто­рич­ная об­мот­ка не под­клю­че­на к на­груз­ке, ЭДС ин­дук­ции в пер­вич­ной об­мот­ке прак­ти­че­ски пол­но­стью ком­пен­си­ру­ет на­пря­же­ние, по­да­ва­е­мое от ис­точ­ни­ка, и при этом ток в пер­вич­ной об­мот­ке крайне ма­лень­кий. В ре­жи­ме хо­ло­сто­го хода ток в пер­вич­ной об­мот­ке ха­рак­те­ри­зу­ет ве­ли­чи­ну по­терь в сер­деч­ни­ке. При этом мощ­ность по­терь можно вы­чис­лить путём умно­же­ния тока хо­ло­сто­го хода на на­пря­же­ние, по­да­ва­е­мое от ис­точ­ни­ка.

 3. Режим работы с нагрузкой  

Рас­смот­рим те­перь вто­рой режим ра­бо­ты транс­фор­ма­то­ра – режим с на­груз­кой. В этом ре­жи­ме вто­рич­ная об­мот­ка под­ве­де­на к на­груз­ке по­тре­би­те­ля. При под­клю­че­нии на­груз­ки во вто­рич­ной об­мот­ке воз­ни­ка­ет элек­три­че­ский ток, ко­то­рый своим маг­нит­ным полем пре­пят­ству­ет из­ме­не­нию маг­нит­но­го по­то­ка в пер­вич­ной об­мот­ке. В ре­зуль­та­те, в пер­вич­ной об­мот­ке на­ру­ша­ет­ся ра­вен­ство ЭДС ин­дук­ции и ЭДС ис­точ­ни­ка. Как след­ствие, в пер­вич­ной об­мот­ке на­чи­на­ет воз­рас­тать элек­три­че­ский ток. Воз­рас­та­ет он до тех пор, пока маг­нит­ный поток не до­стиг­нет прак­ти­че­ски преж­не­го зна­че­ния. Уве­ли­че­ние тока в цепи пер­вич­ной об­мот­ки  про­ис­хо­дит в со­от­вет­ствии с за­ко­ном со­хра­не­ния энер­гии – по­те­ри энер­гии в ка­туш­ке, при­со­еди­нён­ной ко вто­рич­ной об­мот­ке, ком­пен­си­ру­ют­ся по­треб­ле­ни­ем от ис­точ­ни­ка пи­та­ния точно такой же энер­гии. Мощ­ность пер­вич­ной цепи при на­груз­ке транс­фор­ма­то­ра при­бли­зи­тель­но равна мощ­но­сти во вто­рич­ной цепи.

                                          (10)

По­лу­чим, что от­но­ше­ние на­пря­же­ний на ка­туш­ках транс­фор­ма­то­ра при­бли­зи­тель­но равно об­рат­но­му от­но­ше­нию токов в этих ка­туш­ках:

                                                            (11)

Таким об­ра­зом, по­вы­шая с по­мо­щью транс­фор­ма­то­ра на­пря­же­ние в несколь­ко раз, мы во столь­ко же раз умень­ша­ем ток.

Из­вест­но, что для со­зда­ния транс­фор­ма­то­ров необ­хо­ди­мо хо­ро­шо знать свой­ства ма­те­ри­а­лов. На се­год­ня по­те­ри в неко­то­рых транс­фор­ма­то­рах со­став­ля­ют 2–3% от мощ­но­сти ис­точ­ни­ка. В круп­ных си­ло­вых транс­фор­ма­то­рах эти по­те­ри могут иметь боль­шие зна­че­ния, и для их ра­бо­ты ис­поль­зу­ют мощ­ные си­сте­мы охла­жде­ния.

 

Итоги

1. Транс­фор­ма­то­ры – это тех­ни­че­ские устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие на яв­ле­нии элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции и со­сто­я­щие из несколь­ких ка­ту­шек, на­мо­тан­ных на общий сер­деч­ник. Транс­фор­ма­то­ры пред­на­зна­че­ны для по­вы­ше­ния или по­ни­же­ния на­пря­же­ния, по­да­ва­е­мо­го на пер­вич­ную об­мот­ку.  

2. В ре­жи­ме хо­ло­сто­го хода от­но­ше­ние дей­ству­ю­щих на за­жи­мах ка­ту­шек на­пря­же­ний равно от­но­ше­нию числа вит­ков в пер­вич­ной и вто­рич­ной об­мот­ках. Это от­но­ше­ние яв­ля­ет­ся чис­лом, по­сто­ян­ным для дан­но­го транс­фор­ма­то­ра, и на­зы­ва­ет­ся ко­эф­фи­ци­ен­том транс­фор­ма­ции.

3. В ре­жи­ме ра­бо­ты с на­груз­кой мощ­но­сти токов в обеих ка­туш­ках при­бли­зи­тель­но равны, и от­но­ше­ние дей­ству­ю­щих на­пря­же­ний на за­жи­мах ка­ту­шек равно об­рат­но­му от­но­ше­нию токов в этих ка­туш­ках.

Последнее изменение: Понедельник, 25 Июнь 2018, 13:19