Принцип действия трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е₁ и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ₁ и ₂ этих обмоток, т. е.

E₁/E₂ = ₁/ ₂.

Отношение э. д. с. Е_вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E_нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

к= Е_вн / E_нн = _вн / _нн.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U₁/U₂= ₁/ ₂

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I₁/I₂ = U₂/U₁или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I₁/I₂ = ₂/ ₁. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Самоиндукция.

При замыкании выключателя в цепи, представленной на рисунке, возникнет электрический ток, направление которого показано одинарными стрелками. С появлением тока возникает магнитное поле, индукционные линии которого пересекают проводник и индуктируют в нем Э.Д.С., эта Э.Д.С. называется Э.Д.С. самоиндукции. Так как всякая индуктированная Э.Д.С. по правилу Ленца направлена против причины, ее вызвавшей, а этой причиной будет Э.Д.С. батареи элементов, то Э.Д.С. самоиндукции будет направлена против Э.Д.С. батареи. Направление Э.Д.С. самоиндукции на рисунке показано двойными стрелками.

На рисунке показано, как устанавливается ток в цепи после включения. Э.Д.С. самоиндукции, направленная в момент включения против Э.Д.С. батареи элементов, ослабляет ток в цепи, и поэтому в момент включения ток равен нулю. Далее в первый момент времени ток равен 2А, во второй момент времени — 4А, в третий — 5А, и только спустя некоторое время в цепи устанавливается ток 6А.

При размыкании цепи (рисунок) исчезающий ток, направление которого показано одинарной стрелкой, будет уменьшать свое магнитное поле. Это поле, уменьшаясь от некоторой величины до нуля, будет вновь пересекать проводник, и индуктировать в нем Э.Д.С. самоиндукции.

При выключении цепи Э.Д.С. самоиндукции будет направлена в ту же сторону, что и Э.Д.С., источника напряжения. Направление Э.Д.С. самоиндукции показано на рисунке двойной стрелкой. В результате действия Э.Д.С. самоиндукции ток в цепи при ее размыкании исчезает не сразу. Таким образом, Э.Д.С. самоиндукции всегда направлена против причины, ее вызвавшей.

При размыкании цепей, содержащих большое количество витков и массивные стальные сердечники или, как говорят, обладающих большой индуктивностью, Э.Д.С. самоиндукции может быть во много раз больше Э.Д.С. источника напряжения. Тогда в момент размыкания воздушный промежуток между контактными группами будет пробит и появившаяся электрическая дуга будет плавить контакты.

В самой цепи Э.Д.С. самоиндукции может пробить изоляцию витков катушек, электромагнитов и т. д. Во избежание этого в некоторых выключающих приспособлениях устраивают специальный контакт, который замыкает накоротко обмотку электромагнита при выключении.

Величина Э.Д.С. самоиндукции зависит от скорости изменения тока в цепи. Так, например, если для одной и той же цепи в одном случае в течение 1 сек. ток в цепи изменился с 50А до 40А, а в другом случае с 50А до 20А, то во втором случае в цепи будет индуктироваться втрое большая Э.Д.С. самоиндукции.

Величина Э.Д.С. самоиндукции зависит также от индуктивности самой цепи. Цепями с большой индуктивностью являются обмотки генераторов, электродвигателей, трансформаторов и индукционных катушек, обладающих стальными сердечниками. Меньшей индуктивностью обладают прямолинейные проводники. Короткие прямолинейные проводники, лампы накаливания и электронагревательные приборы (печи, плитки) индуктивностью практически не обладают и появления Э.Д.С., самоиндукции в них почти не наблюдается.

Проводник обладает индуктивностью 1 Гн, если при равномерном изменении тока на 1А в 1 с в нем индуктируется Э.Д.С. самоиндукции 1В.

Как мы убедились выше, Э.Д.С. самоиндукции возникает в цепи постоянного тока только в моменты его включения, выключения и при всяком его изменении. Если же величина тока в цепи неизменна, то магнитный поток проводника постоянен и Э.Д.С. самоиндукции возникнуть не может. В моменты изменения тока в цепи Э.Д.С. самоиндукции мешает изменениям тока, т. е. оказывает ему своеобразное сопротивление.

Часто на практике встречаются случаи, когда нужно изготовить катушку, не обладающую индуктивностью (добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам, сопротивления штепсельных реостатов и т. п.). В этом случае применяют бифилярную обмотку катушки (рисунок).

Как нетрудно видеть из рисунка, в соседних проводниках токи проходят в противоположных направлениях. Следовательно, магнитные поля соседних проводников взаимно уничтожаются. Общий магнитный поток и индуктивность катушки будут равны нулю.

Вихревые токи.

При вращении ротора генератора в проводниках обмотки якоря, пересекающих магнитное поле, индуктируется Э.Д.С. Так как и сам стальной якорь пересекает те же магнитные индукционные линии, то в нем, так же как и в проводнике, должны индуктироваться токи. Токи, которые индуктируются в металлических телах при пересечении их магнитными линиями, называются вихревыми токами, или токами Фуко. На рисунке схематически изображен якорь, вращающийся в магнитном поле. Вихревые токи в якоре, условно показанные пунктирными стрелками, проходя по телу якоря, будут нагревать его, на что затрачивается энергия. Если не принять мер к уменьшению вихревых токов, они, сильно нагревая якорь, могут привести к порче изоляции его обмотки. Уничтожить совсем потери на вихревые токи нельзя, но уменьшить их можно и нужно.

Для уменьшения потерь на вихревые токи якоря генераторов, электрических двигателей и сердечники трансформаторов собирают из отдельных тонких (0,35—0,5 мм) штампованных листов мягкой стали, расположенных по направлению линий магнитного потока и изолированных одни от других лаком или тонкой бумагой. Это делается для того, чтобы вследствие малого поперечного сечения каждого стального листа уменьшить величину проходящего через него магнитного потока, а стало быть, уменьшить индуктируемые в нем Э.Д.С. и ток.

Путь вихревых токов в теле якоря при разделении последнего на отдельные изолированные участки схематически показан на рисунке.

Чтобы еще больше ослабить вихревые токи, увеличивают удельное сопротивление стали путем добавления в нее около 4% кремния. Такая сталь называется легированной.

Однако не всегда вихревые токи являются вредными; в некоторых случаях они находят и полезное применение. Так, например, эти токи используют для закалки стальных изделий токами высокой частоты, в работе индукционных электроизмерительных приборов, счетчиков и реле переменного тока.