Изменится ли соотношение между напряжениями на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора, если железный сердечник вынуть или если вместо него вставить медный?
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,713
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта
§ 9. Преобразование переменного тока. Трансформатор
Для использования переменного тока на производстве и в быту необходимо уметь изменять его параметры в соответствии с запросами того или иного потребителя. Для этого созданы специальные устройства, позволяющие повышать или понижать напряжение в электрической цепи. Как они устроены? Почему категорически запрещено находиться в помещении, предназначенном для работы только такого устройства?
Генераторы переменного тока создают в расчете на определенные значения напряжения. Для практического использования электрической энергии во всевозможных устройствах и приборах необходимы различные значения напряжений. Для этого используются трансформаторы (от лат. transformo — преобразую).
Первую модель (прототип) трансформатора создал в 1831 г. Майкл Фарадей, намотав на железное кольцо две изолированные обмотки, которые использовал в своих экспериментах. В 1878 г. русский ученый Павел Николаевич Яблочков впервые использовал трансформатор для изменения напряжения питания изобретенных им источников света — «электрических свечей».
Трансформатор (рис. 65, а) — это электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения с сохранением его частоты.
Трансформатор, увеличивающий напряжение, называют повышающим, а уменьшающий — понижающим. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора на электрических схемах показаны, соответственно, на рисунке 65 б, в.
Самый простой трансформатор состоит из двух обмоток (катушек), надетых на общий замкнутый сердечник (см. рис. 65, а). 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 сердечнике различным образом (рис. 66).
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле, создаваемое переменным током в первичной обмотке (см. рис. 65, а), благодаря наличию замкнутого сердечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывает витки вторичной обмотки. Для этого сердечник изготовляется из специального (ферромагнитного) материала, что позволяет создаваемое током в обмотках поле практически полностью локализовать внутри сердечника. В результате магнитный поток практически существует только внутри сердечника и одинаков во всех сечениях. Это позволяет считать мгновенные значения магнитных потоков во всех сечениях сердечника одинаковыми.
Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС и на нее подается напряжение U1. Если пренебречь потерями магнитного потока в сердечнике, то согласно закону Фарадея ЭДС индукции, возникающая в каждом витке вторичной обмотке, будет такой же, как ЭДС индукции в каждом витке первичной обмотки. Следовательно, отношение ЭДС в первичной ℰ1 = и вторичной ℰ2 = обмотках равно отношению числа витков в них:
где e — значение ЭДС индукции в одном витке.
Вследствие малости электрических сопротивлений обмоток, напряжения на них можно считать:
| U1≈ℰ1, U2≈ℰ2 . | (2) |
Из соотношения (2) следует:
т. е. значение напряжения U2 на вторичной обмотке пропорционально значению напряжения U1 на первичной обмотке.
Как следует из выражения (3), в зависимости от отношения числа витков в обмотках напряжение U2 может быть как больше напряжения U1 (трансформатор повышающий), так и меньше его (трансформатор понижающий).
Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной катушки к числу витков вторичной:
Как следует из соотношения (4), при k > 1 напряжение на вторичной обмотке будет меньше напряжения на первичной ( U2U1) . Значит, в этом случае трансформатор будет понижающим. Соответственно, при k < 1 трансформатор будет повышающим.
Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:
Рабочим ходом (режимом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка. Включение нагрузки во вторичную цепь трансформатора приводит к появлению в ней тока. Согласно правилу Ленца магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, стремится скомпенсировать изменение магнитного потока через витки вторичной обмотки, а значит, и через витки первичной обмотки. Это приводит к тому, что после включения нагрузки действующее значение силы тока в первичной обмотке увеличивается таким образом, чтобы суммарный магнитный поток через первичную обмотку достиг прежней величины.
Согласно закону сохранения энергии мощность тока, выделяемая в цепи вторичной обмотки трансформатора, поступает из цепи его первичной обмотки. Пренебрегая потерями энергии, связанными с нагреванием обмоток и работой на перемагничивание сердечника, которые в современных трансформаторах не превышают 2 %, можем записать, что мощности тока в цепях обеих обмоток трансформатора практически одинаковы:
Таким образом, повышая в несколько раз напряжение, во столько же раз мы уменьшаем силу тока.
Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае действующее значение тока во вторичной обмотке максимально и происходят электрическая и тепловая перегрузки системы.
При работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:
— нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;
— работа по перемагничиванию сердечника;
— рассеяние магнитного потока.
Наиболее значительные энергетические потери при работе трансформатора обусловлены тепловым действием вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сердечнике при изменении магнитного потока.
Для уменьшения тепловых потерь сердечники (магнитопроводы) трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком). Такая конструкция сердечника позволяет значительно увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на его нагревание.
Для предотвращения перегрева мощных трансформаторов используется масляное охлаждение (рис. 67).
Современные трансформаторы являются уникальными устройствами, так как имеют очень высокие КПД (до 98 — 99 %), т. е. работают практически без потерь.
Вопросы к параграфу
1. Что называется трансформатором? Опишите устройство простейшего трансформатора.
2. На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?
3. Что называют коэффициентом трансформации?
4. Какой трансформатор называется повышающим? Понижающим?
5. Какая взаимосвязь между действующими значениями напряжения на входе и выходе трансформатора?
6. Какой режим работы трансформатора называется холостым ходом?
7. Чем отличается рабочий режим трансформатора от режима холостого хода?
8. Чем опасен режим короткого замыкания трансформатора?
9. Какая из обмоток трансформатора должна иметь большее сечение провода, если трансформатор: а) повышающий; б) понижающий?
10. Может ли трансформатор использоваться для преобразования постоянного тока?
11. Будет ли работать трансформатор, если его включить в цепь постоянного тока?
Пример решения задачи
Определите силу тока I 1 в первичной обмотке трансформатора, если напряжение на ее зажимах на ΔU = 1500 В выше, чем на вторичной обмотке. Сопротивление первичной обмотки R1 = 35 Ом, коэффициент трансформации k = 20.
Решение:
По закону Ома сила тока в первичной обмотке
где U1— напряжение на первичной обмотке.
Коэффициент трансформации , где U— напряжение на вторичной обмотке
По условию задачи
Тогда сила тока в первичной обмотке
ООО “ФОРМАТ-ЭНЕРГО”
Основные определения, расчетные показатели и рабочие параметры трансформатора
Основные определения
Трансформатор, в магнитной системе которого создается однофазное магнитное поле, называется однофазным, если же создается трехфазное поле – то трехфазным. Обмотка, к которой подводится энергия (напряжение ) преобразуемого переменного тока называется первичной; обмотка трансформатора, от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется вторичной. Под обмоткой трансформатора понимают совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются электродвижущие силы, наведенные в витках с целью получения заданного напряжения. Обмотка трансформатора, к которой подводится электроэнергия преобразуемого или от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется основной. Силовой трансформатор имеет не менее двух основных обмоток. Основная обмотка трансформатора, имеющая наибольшее номинальное напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН ), наименьшее – обмоткой низшего напряжения (НН ), а промежуточное между ними – обмоткой среднего напряжения (СН ). Трансформатор с двумя гальванически не связанными обмотками (ВН и НН) называется двух-обмоточным, с тремя (ВН , СН и НН) – трех-обмоточным. Одна из этих обмоток является первичной, две другие – вторичными. Если у трансформатора первичной является обмотка НН, его называют повышающим, если ВН – понижающим.
Расчетные показатели
Индуцируемые в обмотках ЭДС выражаются в вольтах и могут быть определены по следующим формулам:
Е1=4,44fw1Fm,
E2=4,44fw2Fm,
где f – частота переменного тока, Гц; w1 и w2 – количество витков соответственно первичной и вторичной обмоток; Fm – амплитудное (наибольшее ) значение магнитного поля, Вб
Как видно из формулы, значения вторичной ЭДС Е2 и соответственно напряжения U2 зависят от числа витков вторичной обмотки. Увеличение числа витков вторичной обмотки приводит к увеличению вторичных ЭДС и напряжения и наоборот. При установленной в России промышленной частоте 50 Гц (стандарт ) для подсчета индуцируемых в обмотках ЭДС на практике пользуются формулой:
E=222wFB10 -4
где w – число витков; F – активное поперечное сечение стержня магнитной системы; B – магнитная индукция в стержне, Тл
При расчете трансформаторов также пользуются показателем ЭДС, индуцируемой в одном витке обмотки – е; она одинакова для любой обмотки трансформатора (первичной , вторичной), так как все витки сцеплены с одним и тем же основным магнитным полем:
е = 222FB10 -4
Если известны е и F, то легко определить индукцию магнитной системы:
В = е10 4 / 222 F
При работе трансформаторов падения напряжения в сопротивлениях их обмоток обычно очень малы, и можно считать, что напряжение первичной обмотки U1 равно ее ЭДС E1, а напряжение вторичной обмотки U2 равно ее ЭДС E2, т.е.
U1 = E1 и U2 = E2
Отношение напряжения на зажимах обмотки высшего напряжения к напряжению на зажимах обмотки низшего напряжения в режиме холостого хода трансформатора называется коэффициентом трансформации К:
K = U1 / U2 = E1 / E2 = 4,44w1fFm10 -8 / 4,44w1fFm10 -8 = w1 / w2
Рабочие параметры
Мощность одной фазы трехфазного трансформатора определяется по формуле:
S = Uф Iф / 1000,
где Uф и Iф – номинальное напряжение и ток одной фазы, соответственно в В и А
Мощность трехфазного трансформатора, выраженная через линейные напряжения и ток:
S = UI / 1000,
где – 1,33 – коэффициент, учитывающий соотношение между фазными и линейными значениями тока или напряжения в трехфазной системе, U – линейное значение напряжения, (В ), I – линейное значение тока, (А )
Номинальное первичное напряжение – это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора; номинальное вторичное напряжение – напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающееся при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Номинальные токи определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.
Высшее номинальное напряжение трансформатора – это наибольшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора, а низшее номинальное напряжение – соответственно наименьшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
Режим, при котором одна из обмоток трансформатора замкнута накоротко, а вторая находится под напряжением, называется коротким замыканием. Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальных напряжениях, в обмотках возникают токи короткого замыкания, в 5-20 раз (и более) превышающие номинальные. При этом резко повышается температура обмоток и в них возникают большие механические напряжения. Такое замыкание является аварийным и для предотвращения повреждения трансформатора применяется специальная защита, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Напряжение короткого замыкания выражается в процентах номинального напряжения:
uк.з. = (U к.з./ Uном.) 100,
где uк.з. – напряжение короткого замыкания в процентах, Uк.з — напряжение короткого замыкания в В, Uном. номинальное напряжение обмоток трансформатора.
Потери трансформатора – это активная мощность, расходуемая в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах работы. Потери холостого хода – это потребляемая трансформатором активная мощность в режиме холостого хода при номинальном напряжении и номинальной частоте первичной обмотки. При холостом ходе трансформатор не передает электроэнергию, так как вторичная обмотка разомкнута. Потребляемая им активная мощность тратится на нагревание стали магнитной системы от перемагничивания и вихревыми токами, а также частично первичной обмотки. Эти суммарные потери называют потерями холостого хода трансформатора.
Потери короткого замыкания – это потребляемая трансформатором активная мощность при опыте короткого замыкания, обусловленная потерями в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток и токоведущих частях трансформатора при прохождении номинального тока и добавочными потерями, вызванными полями рассеяния. Напряжение короткого замыкания, подводимое к трансформатору при опыте короткого замыкания, в зависимости от его конструкции и назначения в 5-20 раз меньше номинального, поэтому магнитное поле в магнитной системе незначительное, соответственно незначительны и потери в активной стали на перемагничивание. Ими пренебрегают, считая, что потребляемая мощность при коротком замыкании расходуется только на потери в активном сопротивлении обмоток и на добавочные потери, вызванные полями рассеяния (поля рассеяния наводят в обмотках вихревые токи).
Суммарные потери трансформатора при номинальной нагрузке составляют потери холостого хода и короткого замыкания. Зная эти потери и мощность, выдаваемую трансформатором в сеть, можно определить его КПД в процентах:
N = P2 / (P 2 + Pк.з. + Pх.х.) 100, M
где Р2 – мощность, выдаваемая трансформатором в сеть, Рк.з. – потери короткого замыкания, Рх.х. – потери холостого хода (трансформаторы имеют сравнительно высокий КПД – 98,5 – 99,3%)
Чему равно отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Трансформаторы получили очень широкое практическое применение при передаче электрической энергии на большие расстояния, для распределения энергии между ее приёмниками и в различных выпрямительных, сигнальных, усилительных и других устройствах.
При передаче электрической энергии от электростанций к ее потребителям большое значение имеет величина тока, проходящего по проводам. В зависимости от силы тока выбирают сечение проводов линии передачи энергии и, следовательно, определяют стоимость проводов, а также и потери энергии в них.
Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то ток в той же мере уменьшится, а это позволит применять провода с меньшим поперечным сечением для устройства линии передачи электрической энергии и уменьшит расход цветных металлов, а также потери мощности в линии.
При неизменной передаваемой мощности поперечное сечение провода и потери мощности в линии обратно пропорциональны напряжению.
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11-18 кВ (в некоторых случаях при 30—35 кВ). Хотя это напряжение очень велико для непосредственного его использования потребителями, однако оно недостаточно для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Для увеличения напряжения применяют повышающие трансформаторы.
Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.)
из соображений безопасности для лиц, пользующихся этими приемниками, рассчитываются на более низкое напряжение (до 380 В). Кроме того, высокое напряжение требует усиленной изоляции токопроводящих частей, что делает конструкцию аппаратов и приборов очень сложной.
Поэтому высокое напряжение, при котором передается энергия, не может непосредственно использоваться для питания приемников, вследствие чего к потребителям энергия подводится через понижающие трасформаторы.
Таким образом, электрическая энергия при передаче от места ее производства к месту потребления трансформируется несколько раз (3-4 раза). Кроме того, понижающие трансформаторы в распределительных сетях включаются неодновременно и не всегда на полную мощность, вследствие чего мощности установленных трансформаторов значительно больше (в 7-8 раз) мощностей генераторов, вырабатывающих электроэнергию на электростанциях.
Трансформатор имеет две изолированные обмотки, помещенные на стальном магпитопроводе. Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, — вторичной.
Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если вторичное напряжение больше первичного, то трансформатор называется повышающим, если же вторичное напряжение меньше первичного, то понижающим.
Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.
Принцип действия и устройство трансформатора.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет проходить переменный ток, который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, индуктирует в этой обмотке эдс. Под действием этой эдс по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток.
Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную цепь.
Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальном магнитопроводе.
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких пластин (толщиной 0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком).
Материалом магнитопровода является трансформаторная сталь Э-42, Э-43, Э-43А, Э-320, Э-330, Э-ЗЗОА и др.
Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше чем горячекатаная) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как перпендикулярно прокату магнитная проницаемость относительно низкая.
Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные линии замыкались по направлению проката стали.
Магнитопроводы трансформаторов малой мощности изготовляют из ленты холоднокатаной стали.
В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собирают из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением прокатки стали.
У горячекатаной стали (Э-42, Э-43 и др.) магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собирают из пластин Ш-или П-образной формы, которые штампуются из листовой стали.
В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки ( изо, а ). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали.
Магнитопровод броневого однофазного трансформатора ( изо, б ) имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений.
Магнитопроводы однофазных трансформаторов:
а — пластинчатый стержневой
б — пластинчатый броневой
в — ленточный стержневой
г — ленточный броневой
Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали подобны стержневым
(изо ,в ) или броневым (изо ,г ).
Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, а трансформаторы малой мощности часто делают броневыми.
Расположение обмоток на магнитопроводе показано на рисунке.
Ближе к стержню магнитопровода располагается обмотка низшего напряжения НН , так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН . Обмотку высшего напряжения изолируют от обмотки низшего напряжения
прокладками, рейками, шайбами и другими изоляционными деталями (чаще из электрокартона).
При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопровода желательно придать круглую форму, так как в этом случае в площади, охватываемой обмотками, не остается промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток и, следовательно, масса обмоточного провода при заданной площади поперечного сечения магнитопровода.
Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо было бы собрать его из большого числа стальных листов различной ширины.
Поэтому у трансформаторов большой мощности магнитопровод имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9 — 10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. На рисунке показано поперечное сечение трехступенчатого магнитопровода.
Для лучшего охлаждения в магнитопроводах и в обмотках мощных трансформаторов устраивают охлаждающие каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов.
В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек.
При малых токах радиальные механические усилия, возникающие при работе трансформатора и действующие на обмотки, будут малы, так что изготовление обмоток упрощается.
В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность S , номинальные напряжения U 1 и U 2 и токи I 1 и I 2 первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке.
Номинальной мощностью трансформаторов называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной (номинальной) нагрузке.
Номинальная мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-амперах или киловольт-амперах. В ваттах и киловаттах измеряют активную мощность трансформатора, т. е. ту мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д.
Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электрического аппарата определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, проходящим по проводнику, и, следовательно, полной мощностью.
Трансформаторы малой мощности имеют большую удельную поверхность охлаждения, и естественное воздушное охлаждение является для них вполне достаточным.
Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным ох-лаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом.
Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора. Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы.
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность.
Для обеспечения нормальной эксплуатации трансформатора необходимо контролировать температуру масла, заменять его новым, производить периодическую сушку и очистку.
Работа трансформатора под нагрузкой .
При холостом ходе трансформатора (нагрузки нет) вторичная обмотка его разомкнута и ток в этой обмотке не проходит. В первичной обмотке при этом проходит ток холостого хода I 0 , который много меньше тока этой обмотки при номинальной нагрузке трансформатора.
Намагничивающая сила холостого хода I 01 возбуждает переменный магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу и индуктирует в первичной и вторичной обмотках эдс, зависящие от числа витков этих обмоток 1 и 2 , амплитуды магнитного потока Ф m (Вб) и частоты его изменения f .
Действующие значения эдс первичной E 1 и вторичной Е 2 обмоток:
E 1 = 4.44 1 fФ m и E 2 = 4.44 2 fФ m
Так как при холостом ходе во вторичной обмотке тока нет, то напряжение на зажимах этой обмотки равно эдс, т. е. U 2 = E 2 .
В первичной обмотке проходит небольшой ток холостого хода и напряжение этой обмотки незначительно отличается от эдс, т. е. U 1 E 1 .
Отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой n , т. е.
n = U1/U2 = E1/E2 = 1/2 и U1 = (1/2)U2 = nU2 .
Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первичной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U 1 на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U 2 , не равное напряжению U 1 .
Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой-либо приемник энергии (изо, а ), то во вторичной цепи будет проходить ток I 2 , а в первичной обмотке — ток I 1 . Магнитодвидущие силы первичной и вторичной совместно возбудят в магнитопроводе результирующий магнитный поток.
Схема работы трансформатора (а) и его условное обозначение (б)
Пренебрегая падением напряжения в сопротивлении первичной обмотки трансформатора и потоком рассеяния, можно допустить при любой его нагрузке приближенное равенство абсолютных величин приложенного напряжения и уравновешивающей это напряжение эдс первичной обмотки, т. е. U 1 = E 1 .
Поэтому при неизменном по величине приложенном напряжении U 1 будет приблизительно неизменной эдс E 1 , индуктированная в первичной обмотке при любой нагрузке трансформатора.
Так как эдс E 1 зависит от магнитного потока, то и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным и равным магнитному потоку при холостом ходе Ф m .
Следовательно, геометрическая сумма мдс первичной и вторичной обмоток трансформатора при нагрузке равна мдс холостого хода, т. е.
i 1 1 +i 2 2 =i 0 1 , откуда i 1 1 = i 0 1 — i 2 2 или i 1 = i 0 — i’ 2 ,
где I’ 2 =I 2 ( 2 / 1 ) = I 2 (1/n) — приведенный к первичной цепи ток вторичной обмотки.
Таким образом, при нагрузке трансформатора ток первичной обмотки возбуждает магнитный поток в магнитопроводе с неизменной амплитудой (составляющая I 0 ) и уравновешивает размагничивающее действие тока вторичной обмотки (составляющая -I’ 2 ).
Ток I 2 , проходящий по вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который согласно закону Ленца направлен встречно магнитному потоку в сердечнике и стремится его уменьшить; это бы вызвало уменьшение эдс Е 1 и увеличение тока I 1 .
Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.
Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки I 2 возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно увеличиваются как ток первичной обмотки I 1 , так и магнитный поток, создаваемый этим током.
Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий поток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике оказывается неизменным.
В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U 1 больше напряжения вторичной обмотки U 2 в n раз и ток вторичной обмотки I 2 больше тока первичной обмотки I 1 также в n раз.
В повышающем трансформаторе имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между токами в них.
Если, например, включить на полную нагрузку трансформатор, напряжения первичной и вторичной обмоток которого равны U 1 = 220 В , U 2 = 24 В , то при номинальном токе первичной обмотки I 1 = 3 A , ток во вторичной обмотке
I 2 = 3 • (220/24) = 27,5 A .
Таким образом, в обмотке с более высоким напряжением ток меньше, чем в обмотке с более низким напряжением. Обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и наматывается из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением.
При работе трансформатора под нагрузкой в первичной и во вторичной его обмотках проходят токи, создающие потоки рассеяния Фs 1 и Фs 2 .
Эти магнитные потоки сцеплены только с витками той обмотки, током которой они создаются, и всегда много меньше основного магнитного потока Ф m , замыкающегося по магнитопроводу трансформатора (по стали), так как потоки рассеяния частично проходят в немагнитной среде.
Потоки рассеяния индуктируют в обмотках эдс рассеяния, которые в небольшой степени изменяют напряжение вторичной обмотки трансформатора при изменении его нагрузки.
Условное обозначение трансформатора показано на изо, б .
Чтобы не устанавливать отдельный трансформатор на каждое рабочее напряжение, целесообразно на одном трансформаторе иметь несколько вторичных обмоток с различным числом витков.
Такие трансформаторы, называемые многообмоточными, широко применяют в радиоприемниках, телевизорах, усилителях и другой аппаратуре, требующей для питания несколько переменных напряжений различной величины.
Соотношения числа витков обмоток определяются их напряжениями, т. е.
2 / 1 = U 2 /U 1 ; 3 / 1 = U 3 U 1 .
Ток в первичной обмотке равен суммарному току всех приведенных вторичных обмоток: I 1 = I 2 U 2 /U 1 + I 3 U 3 /U 1 + .
Изменение тока в любой вторичной обмотке вызывает соответствующее изменение тока первичной обмотки. При этом несколько изменяются напряжения всех вторичных обмоток трансформатора, т. е. напряжение любой вторичной обмотки зависит от тока как в этой обмотке, так и в любой другой вторичной обмотке трансформатора.