Военно-техническая подготовка

1.5. Трансформаторы

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1)Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)

2)Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока. При синусоидальном токе ЭДС сдвинута на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т. д.

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит:

$U_{2} = - N_{2} \frac{d\Phi}{dt}$ ,

где U 2 — напряжение на вторичной обмотке,

N 2 — число витков во вторичной обмотке,

Ф — суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:

$U_{1} = - N_{1} \frac{d\Phi}{dt}$ ,

где

U 1 — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,

N 1 — число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение U 2 на U 1 , получим отношение:

$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$ .

Для трансформаторов с параллельным подключением первичной обмотки к источнику энергии интересует, как правило, масштабирование в отношении напряжения, а значит, коэффициент трансформации n выражает отношение первичного (входного) и вторичного (выходного) напряжений :

$n = \frac{U_1}{U_2} = \frac{\varepsilon \cdot W_1 + I_1\cdot R_1} {\varepsilon \cdot W_2 - I_2\cdot R_2}$ ,

где U1 , U2 — входное и выходное напряжения соответственно

ε — ЭДС, наводимая в каждом витке любой обмотки данного трансформатора

W1 , W2 — число витков первичной и вторичной обмоток

I1 , I2 — токи в первичной и вторичной цепях трансформатора

R1 , R2 — активные сопротивления обмоток

Если пренебречь потерями в обмотках, то есть R1 , R2 считать равными нулю, то

$n = \frac{U_1}{U_2} = \frac{W_1} {W_2}$ .

Такие трансформаторы ещё называют трансформаторами напряжения.

Рис 1. Схематическое устройство трансформатора. 1 — первичная обмотка, 2 — вторичная.

1.5.1. Повышающие трансформаторы.

Повышающий трансформатор имеет меньшее количество витков у первичной обмотки, которая соединяется с источником высокого сетевого питания и большее количество витков у вторичной обмотки для выдачи повышенного выходного напряжения.

1.5.2. Понижающие трансформаторы.

Понижающий трансформатор имеет большее количество витков у первичной обмотки, которая соединяется с источником высокого сетевого питания и меньшее количество витков у вторичной обмотки для выдачи пониженного выходного напряжения.

1.5.3. Автотрансформаторы.

Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно.

Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4. Существенным достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.