Трансформаторы

Трансформатор — это устройство, которое передает энергию в виде переменного тока от одной обмотки в другую через магнитное поле. При этом напряжение и ток одного уровня могут быть преобразованы с минимальными потерями в напряжение и ток другого уровня. Электрическая энергия на большие расстояния наиболее эф­фективно передается с большим напряжением (сотни киловольт) и незначитель­ным током. В локальных электрических сетях напряжение стандартизировано — 230 В в Европе и 115 В в США. Переход от линий передачи электрической энергии в локальные сети осуществляется с помощью трансформаторов. Большинство элек­трических и электронных систем, подключаясь к локальной электрической сети, используют специализированные трансформаторы для получения необходимого уровня тока и напряжения. Трансформаторы бывают как очень больших размеров, например с железнодорожный локомотив, так и размером с пуговицу на блузке. Они могут работать на низких частотах, например на стандартной в Европе частоте 50 Гц, и на радиочастотах (до 1 ГГц).

На рис. 13.5, а, изображен магнитный сердечник, на который намотана обмот­каN₁Обмотка соединена с источником питания переменного тока с напряжением V₁Ток в обмотке I₁, определяется ее сопротивлениемR₁как показано на эквива­лентной схеме (рис. 13.5, б). Во время протекания тока образуется магнитный по­ток, магнитодвижущая сила F которого определяется как:

Напряженность магнитного поля равна:

где l — длина линии магнитной индукции.

Зависимость между напряженностью магнитного поля Н и плотностью магнит­ного потока В определяется свойствами материала.

На рис. 13.6, а, изображена такая же схема, как и на рис. 13.5, а, только с источником переменного напряжения .В этом случает магнитный поток также синусоидальный. В соответствии с законом Фарадея переменное магнитное поле индуцирует в проводнике напряжение, которое определяется по формуле:

 

Схема на рис. 13.7, а, такая же, как и выше, только добавлена вторичная обмот­каN₂.Так как один и тот же магнитный поток

пронизывает и первичную, и вторич­ную обмотки, напряжение на вторичной обмотке определяется из формулы (13.5):

Если рассмотреть систему уравнений (13.5) и (13.10), то получим очень важную зависимость для идеального трансформатора:

Таким образом, в идеальном трансформаторе:

1) нет потери энергии ни в обмотках, ни в сердечнике;

2) магнитный поток в обмотках одной и той же величины;

3) требуется незначительный ток для образования магнитного потока в сердеч­нике; другими словами, реактивность L_Mочень велика.

На практике в трансформаторе магнитные потоки в обмотках не равны, а некоторая часть магнитного потока покидает сердечник. Это рассеивание магнитного потока противодействует входному напряжению. Этот эффект представлен в эквивалентной схеме индуктивностями рассеивания L₁и L₂ (рис. 13.9, б). Основной задачей проектирования трансформаторов является мини­мизация рассеивания магнитного потока. Одним из решений этой задачи является тороидальная форма сердечника.

Для реального трансформатора рассчитывается коэффициент стабилизации трансфор­матора. Он определяется изменением выходного напряжения при изменении на­грузки от оптимального значения до режима холостого хода:

где V_вых1 — выходное напряжение без нагрузки; V_вых2 — выходное напряжение с полной нагрузкой.

Эквивалентная схема на рис. 13.10 используется для расчетов только для низ­ких частот (50 и 60 Гц). На высоких частотах необходимо учитывать паразитную емкость обмоток в виде конденсатора в первичной обмотке.