Трансформатор: устройство, схема и принцип работы

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения и одной частоты в ток другого напряжения и той же частоты.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Различные типы трансформаторов используются практически во всех режимах питания электрических устройств и при передаче электроэнергии на большие расстояния. Электростанции обеспечивают относительно низкие напряжения тока, такие как 220 В, 380 В и 660 В. Повышая напряжение до тысяч киловольт, трансформаторы позволяют значительно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния и одновременно уменьшить площадь поперечного сечения линий электропередачи.
Непосредственно перед тем, как попасть к потребителю (например, в электрическую розетку в доме), ток проходит через понижающий трансформатор. Таким образом, получаются известные 220 вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

  • импульсные трансформаторы;
  • силовые трансформаторы;
  • трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы могут быть однофазными или многофазными и иметь одну, две или более обмоток. Давайте на примере простейшего однофазного трансформатора рассмотрим механизм и принцип его работы. Кстати, о том, что такое фазы и нули в электричестве, вы можете прочитать в других статьях. Из чего состоит трансформатор? В простейшем случае он состоит из металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны друг с другом и представляют собой изолированные провода. Одна из обмоток (называемая первичной) подключена к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Принцип работы трансформатора
Принцип работы трансформатора
 

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, по первичной обмотке течет переменный ток I1. Это создает магнитный поток Ф, который проходит через обе обмотки и вызывает электродвижущую силу в обеих обмотках. Вторичная обмотка может быть разгружена. Такой режим работы трансформатора называется режимом холостого хода. Таким образом, когда вторичная обмотка подключена к потребителю, по ней течет ток I2, индуцированный ЭДС. Величина ЭДС, наведенной в обмотках, напрямую зависит от числа витков в каждой обмотке. Отношение ЭДС, наведенной в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению витков соответствующей обмотки.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор — это трансформатор без потерь энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке сначала полностью преобразуется в энергию магнитного поля, а затем в энергию вторичной обмотки. Конечно, таких трансформаторов в природе не существует. Однако, если тепловыми потерями можно пренебречь, удобно использовать формулу идеального трансформатора, в котором мощность тока в первичной и вторичной обмотках равна.

Потери энергии в трансформаторе

КПД трансформаторов достаточно высок. Однако в обмотках и сердечниках происходят потери энергии, что повышает рабочую температуру трансформатора. В трансформаторах малой мощности это не является проблемой, и все тепло отводится в окружающую среду за счет естественного воздушного охлаждения. Такие трансформаторы называются сухими. Для больших трансформаторов воздушного охлаждения недостаточно, и используется масляное охлаждение. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В мощных трансформаторах также используются выхлопные трубы. Это связано с тем, что газы, образующиеся при кипении масла, нуждаются в отводе.

  

Read More