1. трансформатор Трансформатор - пристрій, що служить для перетворення сили і напруги змінного струму...

трансформатор

Трансформатор - пристрій, що служить для перетворення сили і напруги змінного струму при незмінній частоті.

Він був винайдений П. Н. Яблочкова в 1878 р, а технічний трансформатор вперше створив І.Ф.Усагін в 1882 р

Робота трансформатора заснована на явищі електромагнітної індукції. Найпростіший трансформатор (рис. 1) являє собою дві ізольовані одна від одної котушки (обмотки), намотані на загальний замкнутий сердечник.

Мал. 1

За однією з обмоток (первинної) пропускається перетворений змінний струм, а вторинна обмотка з'єднується зі споживачем. Струм у первинній обмотці створює в осерді змінний магнітний потік, який збуджує ЕРС самоіндукції \ (~ \ varepsilon = - \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \) в кожному витку первинної котушки (ΔΦ - зміна магнітного потоку через один виток за час Δt). Цей же магнітний потік пронизує витки вторинної котушки і створює в кожному її витку ЕРС індукції \ (~ \ varepsilon. \) Якщо первинна обмотка має N 1 витків, а вторинна N 2 витків, то в обмотках індукуються (без урахування втрат на розсіювання магнітного потоку ) відповідно електрорушійні сили \ (~ \ varepsilon_1 = - N_1 \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t}, \ varepsilon_2 = - N_2 \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t}, \) а їхнє ставлення \ (~ \ frac {\ varepsilon_1} {\ varepsilon_2} = \ frac {N_1} {N_2}, \) тобто що виникають в котушках ЕРС індукції (самоіндукції) пропорційні числу витків в них:

\ (~ K = \ frac {N_1} {N_2}; \ frac {\ varepsilon_1} {\ varepsilon_2} = k. \)

Ставлення числа витків в первинній обмотці до числа витків у вторинній називають коефіцієнтом трансформації k.

Якщо N 2> N 1 (k <1), то трансформатор називається що підвищує, а якщо N 2 <N 1 (k> 1) - знижувальним.

Коефіцієнт трансформації визначається зазвичай при холостому ході трансформатора, тобто при розімкненому колі вторинної обмотки. В цьому випадку в первинній обмотці проходить так званий струм холостого ходу, діюче значення якого I x. На підставі закону Ома для замкненого кола діючі значення напруги U 1, прикладеного до первинної обмотці, ЕРС самоіндукції \ (~ \ varepsilon_1 \) і сила струму I x в первинній обмотці пов'язані між собою співвідношенням \ (~ U_1 - \ varepsilon_1 = I_x R_1, \) де R 1 - активний опір первинної обмотки. Знак мінус обумовлений тим, що ЕРС \ (~ \ varepsilon_1 \) згідно з правилом Ленца протифазні U 1. Трансформатор проектується так, щоб під час відсутності навантаження споживаний з мережі струм був незначним. Це досягається вибором малого активного опору R 1 і досить великого індуктивного опору ω L. Для збільшення індуктивності котушки в неї вводять сталевий сердечник і намотують досить велике число витків N 1. Тоді сила струму \ (~ I_x \ sim \ frac 1 {\ sqrt {R ^ 2 + \ left (wL \ right) ^ 2}} \ ) буде мала і величиною I x R 1 можна знехтувати. Отже, \ (~ U_1 \ approx \ varepsilon_1. \)

Ланцюг вторинної обмотки при холостому ході розімкнути, внаслідок чого в ній струму немає, і напруга на затискачах вторинної обмотки одно індукованої в ній ЕРС індукції \ (~ U_2 = \ varepsilon_2. \) Тому коефіцієнт трансформації можна знайти, вимірявши напруги на кінцях котушок при холостому режимі

\ (~ K = \ frac {\ varepsilon_1} {\ varepsilon_2} = \ frac {U_1} {U_2}. \)

При включенні у вторинну ланцюг будь-якої навантаження (робочий хід трансформатора) в ній починає проходити струм навантаження I 2 (змінний, такої ж частоти). Струм I 2 створює в осерді магнітний потік, спрямований за правилом Ленца назустріч потоку первинної обмотки. В результаті сумарний потік магнітної індукції в первинній котушці зменшується, зменшується і ЕРС \ (~ \ varepsilon_1, \) а отже, сила струму \ (~ I_1 = \ frac {U_1 - \ varepsilon_1} {R_1} \) збільшується. Збільшення струму в первинної ланцюга призводить до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинному ланцюзі. Але збільшення струму у вторинному ланцюзі супроводжується збільшенням струму самоіндукції і, отже, зменшенням магнітного потоку (який щойно зростав). Зрештою при постійному навантаженні встановлюються певні магнітний потік, ЕРС індукції у вторинній ланцюга, струм I 1 в первинному ланцюзі (I 1> I x). Таким чином, збільшення струму I 2 у вторинному ланцюзі автоматично призводить до збільшення струму I 1 в первинному ланцюзі, тобто трансформатор автоматично регулює споживання енергії в залежності від навантаження у вторинному ланцюзі.

При робочому ході трансформатора відбувається безперервна передача енергії з первинного кола у вторинну. Потужність, споживана в первинному ланцюзі \ (~ P_1 = I_1 U_1 \ cos \ varphi_1, \) а що виділяється на навантаженні \ (~ P_2 = I_2 U_2 \ cos \ varphi_2. \) Коефіцієнт корисної дії трансформатора

\ (~ \ Eta = \ frac {P_2} {P_1} = \ frac {I_2 U_2 \ cos \ varphi_2} {I_1 U_1 \ cos \ varphi_1}. \)

Не вся енергія, споживана від генератора, передається споживачеві. При роботі трансформатора є втрати на нагрівання обмоток трансформатора, на розсіювання магнітного потоку в простір, на вихрові струми Фуко (див. Закон електромагнітної індукції ) В осерді і його перемагничивание. Для зменшення цих втрат вживають таких заходів: 1) обмотка низької напруги робиться більшого перетину, так як по ній проходить струм більшої сили; 2) сердечник роблять замкнутим, що зменшує розсіювання магнітного потоку; 3) сердечник роблять з ізольованих пластин для зменшення струмів Фуко і ін. Завдяки цим заходам ККД сучасних трансформаторів досягає = 95-99%, зрушення фаз між коливаннями сили струму і напруги близькі до нуля \ (~ \ left (\ cos \ varphi \ approx 1 \ right). \)

Якщо іноді можна знехтувати втратами в трансформаторі, тобто вважати η = 100%, то \ (~ P_1 = P_2 \ Rightarrow I_1 U_1 = I_2 U_2 \ Rightarrow \ frac {I_1} {I_2} = \ frac {U_2} {U_1}, \) це означає, збільшуючи за допомогою трансформатора напругу , ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму і навпаки.

При робочому режимі трансформатора напруги на його обмотках вже не будуть рівні ЕРС. З огляду на втрати тільки на активних опорах, напруги U 1 і U 2 можна розрахувати, виходячи з закону Ома для замкненого кола.

Згідно із законом Ома для замкнутої первинної ланцюга трансформатора алгебраїчна сума підводиться до трансформатора напруги U 1 і виникає ЕРС \ (~ \ varepsilon_1 \) самоіндукції дорівнює падінню напруги в ланцюзі (на активному опорі первинної обмотки R 1):

\ (~ U_1 - \ varepsilon_1 = I_1 R_1 \) Звідси \ (~ U_1 = \ varepsilon_1 + I_1 R_1. \)

Для підключеного навантаження R роль джерела струму виконує вторинна обмотка, ЕРС в якій \ (~ \ varepsilon_2. \) Вона повинна бути дорівнює падінню напруги у вторинному ланцюзі (на навантаженні R і на активному опорі R 2 вторинної обмотки):

\ (~ \ Varepsilon_2 = I_2 \ left (R_2 + R \ right), \) але \ (~ I_2 R = U_2. \) Отже, \ (~ \ varepsilon_2 = U_2 + I_2 R_2. \) Звідки \ (~ U_2 = \ varepsilon_2 - I_2 R_2. \)

література

Аксеновіч Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Учеб. посібник для установ, що забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксеновіч, Н.Н.Ракіна, К. С. Фаріно; Під ред. К. С. Фаріно. - Мн .: Адукация i вихаванне, 2004. - C. 409-412.