7. Трансформаторы.
Устройство и принцип работы трансформатора
Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока того же или иного напряжения при неизменной частоте.
Трансформатор состоит из 2-х основных частей: магнитопровода (сердечника) и обмоток.
Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердечники собирают из тонких пластин толщиной 0,3 – 0,5 мм трансформаторной стали. Пластины изолируют друг от друга, покрывая их изолирующей плёнкой.
Простейший трансформатор состоит из сердечника и двух обмоток – первичной и вторичной. Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение U1, то в ней появится некоторый ток i01, который создает в сердечнике магнитный поток Φо. Этот поток наведёт в обеих обмотках ЭДС индукции e1 и e2:
e1 = - w1
;
e2 = - w2 , где
w1 и w2 – число витков в первичной и вторичной обмотках.
Если приложенное напряжение U1 = Um1∙ sinωt,
то в идеальном трансформаторе (без потерь) его первичная обмотка будет представлять собой чистую индуктивность, и ток будет отставать по фазе от напряжения на угол 90˚.
i01 = I01m ∙ sin(ωt – π/2), а магнитный поток будет совпадать по фазе с создающем его током: Φо = Φm ∙ sin(ωt – π/2) = - Φm ∙ cosωt.
Тогда ЭДС e1 и e2 будут равны:
e1 = - w1
= - w1∙ω∙Φm∙sinωt =
- Em1∙sinωt
e2 = - w2= - w2∙ω∙Φm∙sinωt =
- Em2∙sinωt.
Для идеального трансформатора в соответствии со вторым законом Кирхгофа:
u1 = -e1 и u2 = e2, то
= 
или 
=
= 
=
k, (7.5)
где k – коэффициент трансформации. Отношение напряжений на вторичной и первичной обмотках трансформатора равно отношению чисел витков в этих обмотках.
Формула (7.5) выполняется только для идеального трансформатора или в режиме холостого хода.
Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями. Трансформатор не имеет движущихся частей, поэтому механические потери отсутствуют. Имеющиеся потери обусловлены явлениями гистерезиса, вихревыми токами рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмоток.
В ферромагнетике, подвергаемом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. При каждом перемагничивании затрачивается работа, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта работа вследствие внутреннего трения доменов идёт на нагревание сердечника.
Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, создаются в сердечнике трансформатора. Замыкаясь в толще сердечника, эти токи нагревают его и приводят к потерям энергии. Для уменьшения этих потерь сердечник набирают из тонких, изолированных друг от друга пластин.
Потоки рассеяния создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Они составляют около 1% от основного магнитного потока трансформатора.
Активное сопротивление обмоток создаёт потери за счёт токов, нагревающих обмотки.
