Як працює трансформатор

 

Трансформаторами в електротехніці називають такі електротехнічні пристрої, в яких електрична енергія змінного струму від однієї нерухомої котушки з провідника передається іншій нерухомій ж котушці з провідника, не пов’язаної з першої електрично.

Ланкою, що передає енергію від однієї котушки іншого, є магнітний потік, зчіпний з обома котушками і безперервно змінюється за величиною і за напрямком.

Принцип дії і пристрій однофазного трансформатора

На рис. 1а зображений найпростіший трансформатор складається з двох котушок I і II, коаксіально розташованих одна над іншою. До котушки I підводиться змінний струм від генератора змінного струму Р. Ця котушка називається первинної котушкою або первинною обмоткою. З катушкою II, званої вторинної котушкою або вторинною обмоткою, з’єднується ланцюг приймачами електричної енергії.

Принцип дії трансформатора

Дія трансформатора полягає в наступному. При проходженні струму в первинній котушці нею створюється магнітне поле, силові лінії якого пронизують не тільки створила їх котушку, але частково і вторинну котушку. Приблизна картина розподілу силових ліній, створюваних первичною катушкою, зображена на малюнку.

Як видно з рисунка, всі силові лінії замикаються навколо провідників котушки, але частина їх на рис. 1б силові лінії 1, 2, 3, 4 замикаються навколо провідників котушки. Таким чином котушка I є магнітно пов’язаної з катушкою II за допомогою магнітних силових ліній.

Ступінь магнітної зв’язку котушок I і II, при коаксіальному розташуванні їх, залежить від відстані між ними: чим далі котушки один від одного, тим менше магнітна зв’язок між ними, бо тим менше силових ліній котушки I зчіплюється з катушкою II.

Так як через котушку I проходить, як ми припускаємо, змінний струм, тобто струм, що змінюється в часі за якимось законом, наприклад за законом синуса, то і магнітне поле, створюване їм, також буде змінюватися в часі за тим же законом.

Наприклад, коли струм у котушці I проходить через найбільше значення, то і магнітний потік, створюваний їм, також проходить через найбільше значення; коли струм у котушці I проходить через нуль, змінюючи свій напрямок, то і магнітний потік проходить через нуль, також змінюючи свій напрямок.

В результаті зміни струму в котушці I обидві котушки I і II пронизываются магнітним потоком, безперервно змінюють свою величину і свій напрямок. Згідно з основним законом електромагнітної індукції при кожній зміні пронизує котушку магнітного потоку в котушці індукується змінна електрорушійна сила. У нашому випадку в котушці I індукується електрорушійна сила самоіндукції, а в котушці II індукується ерс взаємоіндукції.

Якщо кінці котушки II з’єднати з ланцюгом приймачів електричної енергії (див. рис. 1а), то в цьому ланцюзі з’явиться струм; отже приймачі отримають електричну енергію. У той же час до котушки I від генератора попрямує енергія, майже рівна енергії, що віддається в ланцюг котушкою II. Таким чином електрична енергія від однієї котушки буде передаватися в ланцюг другої котушки, абсолютно не пов’язаної з першої котушкою гальванічно (металево). Засобом передачі енергії в цьому випадку є тільки змінний магнітний потік.

Зображений на рис. 1а трансформатор вельми недосконалий, бо між первинною котушкою I і вторинної котушкою II магнітна зв’язок невелика.

Магнітна зв’язок двох обмоток, взагалі кажучи, оцінюється відношенням магнітного потоку, сцепляющегося з обома обмотками, до потоку, створюваному однією котушкою.

З рис. 1б видно, що тільки частина силових ліній котушки I замикається навколо котушки II. Інша частина силових ліній (на рис. 1б — лінії 6, 7, 8) замикається тільки навколо котушки I. Ці силові лінії в передачі електричної енергії від першої котушки до другого зовсім не беруть участь, вони утворюють так зване поле розсіювання.

Для того щоб збільшити магнітний зв’язок між первинною і вторинною обмотками і одночасно зменшити магнітне опір для проходження магнітного потоку обмотки технічних трансформаторів розташовують на абсолютно замкнутих залізних сердечниках.

Першим прикладом виконання трансформаторів може служити схематично зображений на рис. 2 однофазний трансформатор так званого стрижневого типу. У нього первинні і вторинні котушки c1 і с2 розташовані на залізних стрижнях а — а, сполучених з торців залізними ж накладками b — b, званими ярмами. Таким чином два стержня а, а і два ярма b, b утворюють замкнутий залізне кільце, в якому і проходить магнітний потік, зчіпний з первинною і вторинною обмотками. Це залізне кільце називається серцевиною трансформатора.

Другим прикладом виконання трансформаторів може служити схематично зображений на рис. 3 однофазний трансформатор так званого броньового типу. У цього трансформатора первинні і вторинні обмотки, що складаються кожна з ряду плоских котушок, розташовані на сердечнику сформованому двома стрижнями двох залізних кілець а і б. Кільця а і б, оточуючи обмотки, покривають їх майже цілком як би бронею, тому описуваний трансформатор і називається броньовим. Магнітний потік, що проходить всередині обмоток з розбивається на дві рівні частини, що замикаються кожне в своєму залізному кільці.

Застосуванням залізних замкнутих магнітних ланцюгів у трансформаторів домагаються значного зниження потоку розсіювання. У таких трансформаторів потоки, зчіплюються з первичною і вторичною обмотками, майже дорівнюють один одному. Припускаючи, що первинна та вторинна обмотки пронизываются одним і тим же магнітним потоком, ми можемо на підставі загального заколювання індукції для миттєвих значень електрорушійних сил обмоток написати виразу:

В цих

виразах w1 і w2 — число витків первинної і вторинної обмоток, a dФt — величина зміни пронизує котушки магнітного потоку за елемент часу dt, отже є швидкість зміни магнітного потоку. З останніх виразів можна отримати наступне відношення: e1/e2 = w1/w2

тобто индиктируемые в первинної та вторинної котушках I і II миттєві електрорушійні сили відносяться один до одного так само, як числа витків котушок. Останній висновок справедливо не тільки по відношенню до миттєвим значенням електрорушійних сил, але і до їх найбільшим і діючим значенням.

Електрорушійна сила, индуктируемая в первинної котушки, будучи електрорушійної силою самоіндукції, майже цілком врівноважує прикладена до тієї ж котушці напруга. Якщо через E1 і U1 визначити діючі значення електрорушійної сили первинної котушки та доданого до неї напруги, то можна написати: Е1 = U1

Електрорушійна сила, индуктируемая у вторинній котушці, дорівнює в розглянутому випадку напрузі на кінцях цієї котушки.

Якщо, аналогічно до попереднього, через E2 і U2 визначити діючі значення електрорушійної сили вторинної котушки і напруги на його кінцях, то можна написати: Е2 = U2

Отже, приклавши до однієї котушки трансформатора деяку напругу, можна на кінцях іншої котушки отримати будь-яку напругу, варто тільки взяти відповідне відношення між числами витків цих котушок. В цьому і полягає основна властивість трансформатора.

Відношення числа витковпервичной обмотки до кількості витків вторинної обмотки називається коефіцієнтом трансформації трансформатора. Коефіцієнт трансформації ми будемо позначати кт.

Отже можна написати: Е1/Е2 = U1/U2 = w1/w2 = кт

Трансформатор, у якого коефіцієнт трансформації менше одиниці, називається підвищувальним трансформатором, бо у нього напруга вторинної обмотки, або так зване вторинне напруга, більше напруги первинної обмотки, або так званого первинного напруги. Трансформатор, у якого коефіцієнт трансформації більше одиниці, називається знижувальним трансформатором, бо у нього вторинне напруга менше первинного.

 

Робота однофазного трансформатора під нагрузкою

При холостий роботі трансформатора магнітний потік створюється струмом первинної обмотки або, вірніше, магніторушійної силою первинної обмотки. Так як магнітна ланцюг трансформатора виконується із заліза і тому має невелике магнітне опір, а число витків первинної обмотки береться зазвичай великим, то струм холостої роботи трансформатора невеликий, він становить 5-10% нормального.

Якщо замкнути вторинну обмотку на якийсь опір, то з появою струму у вторинній обмотці з’явиться і магніторушійна сила цієї обмотки.

Згідно із законом Ленца магніторушійна сила вторинної обмотки діє проти магніторушійної сили первинної обмотки

Здавалося б, що магнітний потік в цьому випадку повинен зменшуватися, але якщо до первинної обмотки підведено постійна за величиною напруження, то зменшення магнітного потоку майже не відбудеться.

У самому справі, електрорушійна сила, индуктируемая в первинній обмотці, при навантаженні трансформатора майже дорівнює прикладеній напрузі. Ця електрорушійна сила пропорційна магнітному потоку. Отже, якщо первинна напруга постійно за величиною, то і електрорушійна сила при навантаженні повинна залишитися майже тією ж, якою вона була при холостий роботі трансформатора. Ця обставина має наслідком майже повне сталість магнітного потоку при будь-якому навантаженні.

Робота однофазного трансформатора під нагрузкою

При постійному за величиною первинному напрузі магнітний потік трансформатора майже не змінюється із зміною навантаження і може бути прийнятий рівним магнітному потоку при холостий роботі.

Магнітний потік трансформатора може зберегти свою величину при навантаженні лише тому, що з появою струму у вторинній обмотці збільшується і струм у первинній обмотці і при тому настільки, що різниця магніторушійних сил або ампер витків первинної і вторинної обмоток залишається майже рівною магніторушійної сили або ампер виткім при холостий роботі. Таким чином поява у вторинній обмотці розмагнічуючої магніторушійної сили або ампервитків супроводжується автоматичним збільшенням магніторушійної сили первинної обмотки.

Так як для створення магнітного потоку трансформатора потрібно, як було зазначено вище, невелика магніторушійна сила, то можна сказати, що збільшення вторинної магніторушійної сили супроводжується майже таким же за величиною збільшенням первинної магніторушійної сили.

Отже, можна написати: I2w2 = I1w1

З цієї рівності виходить друга основна характеристика трансформатора, а саме, відношення: I1/I2 = w2/w1 = 1/кт, де кт — коефіцієнт трансформації.

Таким чином, відношення струмів первинної і вторинної обмоток трансформатора дорівнює одиниці, поділеній на його коефіцієнт трансформації.

Отже, основні характеристики трансформатора полягають у відносинах Е1/Е2 = w1/w2 = кт і I1/I2 = w2/w1 = 1/кт

Якщо перемножити ліві частини відносин між собою та праві частини між собою, то отримаємо I1E1/I2E2 = 1 і I1E1 = I2E2

Останнє рівність дає третю характеристику трансформатора, яку можна висловити так: віддається вторинною обмоткою трансформатора потужність у вольт-амперах, майже дорівнює потужності, що підводиться до первинної обмотки також у вольт-амперах.

Якщо знехтувати втратами енергії в міді обмоток і в залозі сердечника трансформатора, то можна сказати, що вся потужність, що підводиться до первинної обмотки трансформатора від джерела енергії, що передається вторинній обмотці його, причому передавачем служить магнітний потік.