Как действует трансформатор?
Трансформатор — это статический (т. е. без движущихся частей) электромагнитный аппарат однофазный или трехфазный, в котором явление взаимоиндукции используется для преобразования электрической энергии. Трансформатор преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Трансформатор имеет несколько электрических, изолированных одна от другой обмоток: однофазный – не менее двух, трехфазный – не менее шести.
Обмотки, соединенные с источником электроэнергии, именуются первичными; остальные обмотки, отдающие энергию во внешние цепи, называются вторичными. На рисунке внизу схематически показаны первичная и вторичная обмотки однофазного трансформатора; они снабжены общим замкнутым сердечником, собранным из листовой электротехнической стали.
Ферромагнитный сердечник служит для усиления магнитной связи между обмотками, т. е. для того, чтобы большая часть магнитного потока первичной обмотки сцеплялась с витками вторичной обмотки.На рис. справа показан сердечник и шесть обмоток трехфазного трансформатора. Эти обмотки соединяются по схеме звезды или треугольника.
Для улучшения условий охлаждения и изоляции трансформатор помещается в бак, заполненный минеральным маслом (продуктом перегонки нефти). Это так называемый масляный трансформатор.
При частоте переменного тока примерно свыше 20 кГц применение стального сердечника в трансформаторах нецелесообразно из-за больших потерь в стали от гистерезиса и вихревых токов.
Для высоких частот применяются трансформаторы без ферромагнитных сердечников — воздушные трансформаторы.
Если напряжение на зажимах первичной обмотки, первичное напряжение U1, меньше вторичного напряжения U2, то трансформатор называется повышающим. Если же первичное напряжение больше вторичного, то — понижающим (U1>U2). В соответствии с относительной величиной номинального напряжения принято различать обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН).
Познакомимся кратко с работой однофазного двухобмоточного трансформатора со стальным сердечником. Его рабочий процесс и электрические соотношения можно считать характерными в основном для всех видов трансформаторов.
Напряжение U1, приложенное к зажимам первичной обмотки, создает в этой обмотке переменный ток i1.Ток возбуждает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф. Вследствие периодического изменения этого потока в обеих обмотках трансформатора индуктируются ЭДС.
е1= – w1 (?ф : ?t) и e2= – w2 (?ф :?t), где
w1 и w2 — количество витков той и другой обмоток.
Таким образом, отношение ЭДЕ, индуктируемых в обмотках, равно отношению чисел витков этих обмоток:
е1 : e2 = w1 : w2
Это коэффициент трансформации трансформатора.
Коэффициент полезного действия трансформатора относительно очень высок, в среднем порядка 98%, что позволяет при номинальной нагрузке считать приближенно одинаковыми первичную мощность, получаемую трансформатором, и вторичную мощность, им отдаваемую, т. е. p1 ? p2 или u1i1 ? u2i2, на основании чего
i1 : i2? u2 : u1? w 2 : w 1
Это отношение мгновенных значений токов и напряжений справедливо и для амплитуд, и для действующих значений:
L1: l2? w 2 : w 1?u2 : u1,
т. е. отношение токов в обмотках трансформатора (при нагрузке, близкой к номинальной) можно считать обратным отношению напряжений и числу витков соответствующих обмоток. Чем меньше нагрузка, тем больше влияет ток холостого хода, и приведенное приближенное соотношение токов нарушается.
При работе трансформатора совершенно различна роль ЭДС в его первичной и вторичной обмотках. ЭДС, ей индуктируемая в первичной обмотке, возникает как противодействие цепи изменению в ней тока i1. По фазе эта ЭДС почти противоположна напряжению.
Как в цепи, содержащей индуктивность, ток в первичной о б м о тке трансформатора
i1=(u1 + e1) : r1,
где г 1 — активное сопротивление первичной обмотки.
Отсюда получаем уравнение для мгновенного значения первичного напряжения:
u1 = —e1 + i1r1 = w t(?ф : ?t) + i1r1,
которое можно прочитать как условие электрического равновесия: приложенное к зажимам первичной обмотки напряжение u1 всегда уравновешивается ЭДС и падением напряжения в активном сопротивлении обмотки (второй член относительно весьма мал).
Иные условия имеют место во вторичной цепи. Здесь ток i2 создается ЭДС e1, играющей роль ЭДС источника тока, и при активной нагрузке r/н во вторичной цепи этот ток
i2= l2 : (r2 +r/н),
где r2— активное сопротивление вторичной обмотки.
http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=M_iDkOIaFy4
В первом приближении воздействие вторичного тока i2 на первичную цепь трансформатора можно описать следующим образом.
Ток i2, проходя по вторичной обмотке, стремится создать в сердечнике трансформатора магнитный поток, определяемый намагничивающей силой (НС) i2w2. Согласно принципу Ленца, этот поток должен иметь направление, обратное направлению главного потока. Иначе можно сказать, что вторичный ток стремится ослабить индуктирующий его магнитный поток. Однако такое уменьшение главного магнитного потока Фт нарушило бы электрическое равновесие:
u1 = (-е1) + i1r1,
так как e1 пропорционально магнитному потоку.
http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=cl-4ZA4FyvM
Создается преобладание первичного напряжения U1, поэтому одновременно с появлением вторичного тока увеличивается первичный ток, притом настолько, чтобы компенсировать размагничивающее действие вторичного тока и, таким образом, сохранить электрическое равновесие. Следовательно, всякое изменение вторичного тока должно вызвать соответствующее изменение первичного тока, при этом ток вторичной обмотки, благодаря относительно малому значению составляющей i1r1, почти не влияет на амплитуду и характер изменений во времени главного магнитного потока трансформатора. Поэтому амплитуду этого потока Фт можно считать практически постоянной. Такое постоянство Фт характерно для режима трансформатора, у которого поддерживается неизменным напряжение U1, приложенное к зажимам первичной обмотки.