3.6. Трансформаторы

 

Трансформатор – это устройство, служащее для повышения или понижения переменного напряжения без изменения его частоты и практически без потерь мощности. Трансформатор состоит из двух или более катушек, надетых на общий сердечник. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а катушка, к которой присоединяется нагрузка (потребители электрической энергии), - вторичной (рис. 3.22). Сердечники трансформаторов изготавливаются из электротехнической стали и набираются из отдельных изолированных друг от друга пластин (для уменьшения потерь энергии вследствие возникновения в сердечнике вихревых токов) – рисунок 3.23.

Катушки трансформатора, как правило, содержат разное количество витков, причем большее напряжение оказывается приложено к катушке с большим числом витков. Если трансформатор используется для повышения напряжения, то обмотка с меньшим числом витков подключается к источнику напряжения, а к обмотке с большим числом витков присоединяется нагрузка. Для понижения напряжения все делается наоборот. При этом не следует забывать, что подавать на первичную обмотку можно напряжение не больше номинального (того, на которое она рассчитана).

Коэффициентом трансформации называют отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке. Он равен также отношению ЭДС в обмотках.      

При отсутствии потерь в обмотках коэффициент трансформации равен отношению напряжений на зажимах обмоток: k=U₁/U₂.

Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего - меньше 1.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При протекании переменного тока через первичную катушку вокруг нее возникает перемененное магнитное поле и магнитный поток, который пронизывает также и вторую катушку. В результате во вторичной катушке появляется вихревое электрическое поле и на ее зажимах возникает ЭДС индукции.

Трансформатор характеризуется коэффициентом полезного действия, равным отношению мощности, выделяющейся во вторичной катушке, к мощности, потребляемой первичной катушкой от сети. У хороших трансформаторов КПД составляет 99 - 99,5%.

Важным свойством трансформатора является его способность преобразовывать сопротивление нагрузки. Рассмотрим трансформатор с КПД приблизительно равным 100%. В этом случае мощность, выделяющаяся во вторичной цепи трансформатора, будет равна мощности, потребляемой первичной обмоткой от источника напряжения. Для такого трансформатора мощность, потребляемая от источника напряжения, будет чисто активной. Мощность в первичной цепи трансформатора P₁=(U₁²)/R₁, а во вторичной цепи P₂=(U₂²)/R₂.

Так как P₁=P₂ и U₁=kU₂ , то R₁=k²R₂.

Таким образом, нагрузка сопротивлением R₂, подключаемая к источнику переменного напряжения через трансформатор, по мощности будет эквивалентна нагрузке сопротивлением R₁, подключаемой без трансформатора.

Для регулировки переменного напряжения широко применяются лабораторные автотрансформаторы. Автотрансформаторы рассчитаны на подключение к сети переменного напряжения 220 В или 127 В. Как правило, выходное напряжение автотрансформатора регулируется плавно до 250 В. Принципиальная схема автотрансформатора приведена на рисунке  3.24а, а его устройство

показано на рисунке 3.24 б. Обмотка трансформатора выполнена изолированным проводом в один слой. На участках обмотки, которых касается подвижный контакт с угольной вставкой, изоляция очищена. При перемещении контакта угольная вставка закорачивает виток провода. Однако вследствие небольшого напряжения на одном витке и заметного сопротивления угольной вставки через замкнутый виток протекает допустимый ток.

Первичная обмотка автотрансформатора является частью его вторичной обмотки и поэтому между первичной и вторичной обмоткой трансформатора имеется гальваническая связь. К вторичной обмотке автотрансформатора нельзя непосредственно подключать потребители, один из проводов которых может оказаться соединенным с землей. Такое подключение приведет к аварии или несчастному случаю. При работе с автотрансформатором запрещается заземлять вторичную цепь.

Рассмотрим кратко простейший расчет маломощных трансформаторов бытовой радиоаппаратуры. Мощность трансформатора (в Вт) численно равна квадрату площади (в см²) поперечного сечения среднего стержня магнитопровода. Зная номинальную мощность трансформатора, можно  найти ток в первичной обмотке при номинальной нагрузке во вторичных обмотках. Диаметр провода обмотки выбирается из расчета (2,5-3)А/мм² поперечного сечения провода. Для стандартных магнитопроводов, применяемых для изготовления трансформаторов, число витков на 1 вольт примерно равно частному от деления 50 на площадь поперечного сечения центрального стержня магнитопровода, выраженную в см². Однако в зависимости от качества магнитопровода коэффициент может изменяться от 35 до 65.

Полное сопротивление катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником зависит от силы протекающего через нее тока. Сопротивление катушки в зависимости от силы протекающего тока сначала увеличивается, достигает максимального значения, а затем уменьшается. На рисунке 3.25 приведена зависимость тока, протекающего в обмотке ненагруженного трансформатора, от приложенного к ней напряжения (исследован трансформатор источника ВУ-4/36 в режиме повышения напряжения).

Зависимость, приведенную на рисунке 3.25, называют характеристикой холостого хода трансформатора. Нелинейное возрастание тока холостого хода в зависимости от приложенного к первичной обмотке напряжения начинается примерно с 0,8U_ном. Номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора выбирают так, чтобы ток холостого хода составлял 5-10% от номинального тока. При напряжении 1,1U_ном ток холостого хода не должен превышать 20-25% номинального тока нагруженного трансформатора.