Принцип трансформации переменного тока кратко

Обновлено: 04.07.2024

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) 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.

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

n = Евн / Eнн = ?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.

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 –устройство, служащее для повышения или понижения напряжения переменного тока без потери мощности.

Устройство трансформатора.1.Стальной сердечник служит усиления и концентрации магнитного поля. Для уменьшения потерь энергии на нагревание

при перемагничивании материал сердечника – ферромагнетик (сталь), а для уменьшения потерь на нагревание токами Фуко сердечник изготавливают из листов стали. 2. На сердечник одеты две или более катушек, которые называются обмотками. Первичная – обмотка подключается к источнику переменного тока. Вторичная – обмотка, к которой присоединяют нагрузку, приборы, потребляющие электроэнергию. Одна и та же обмотка может быть и первичной и вторичной. Для уменьшения потерь энергии на нагревание материал обмоток - ферромагнетик. В основе работы трансформатора лежит явление эл/м индукции. Переменный ток, текущий по первичной обмотке создаёт ~ магнитное поле, которое пронизывает: 1- первичную обмотку; в ней возникает самоиндукция; 2 – сердечник, который намагничивается и усиливает магнитное поле; 3 – вторичную обмотку; в ней возникает ток за счёт явления эл/м индукции. В зависимости от соотношения числа витков в первичной и вторичной обмотках, трансформатор может повышать или понижать напряжение. K = _1/ 2= = K - коэффициент трансформации, _1, ₂-ЭДС в первичной и вторичной обмотках;

U_1, U₂ -напряжение - „ - ; N₁, N₂ - число витков - „ - ;

I_1, I₂ - сила тока - „ - ; Р_1, Р₂- мощность - „ - .

Холостой ход –вторичная обмотка разомкнута, значит I₂= 0, = = = , если K > 1, U₁>U₂ , то трансформатор понижающий,

если K 2 Rt , Q - количество теплоты бесполезно расходуемой на нагрев проводов.R - сопротивление линии электропередачи “Q” можно уменьшить двумя путями: 1) уменьшая R, но для этого пришлось бы делать провода возможно более толстыми – это дорого и неосуществимо; 2) уменьшая I, то есть, увеличивая U напряжение до сотен тысяч вольт. Нельзя строить генераторы на электростанциях с высоким напряжением (воспламенится изоляция), нельзя высокие напряжения подавать потребителям, поэтому на электростанции с помощью повышающего трансформатора напряжение увеличивают в 10 раз, для использования электроэнергии с помощью понижающих трансформаторов в несколько этапов происходит понижение напряжения до 220 вольт.

U_1, U₂ -напряжение - „ - ; N₁, N₂ - число витков - „ - ;

I_1, I₂ - сила тока - „ - ; Р_1, Р₂- мощность - „ - .

Холостой ход –вторичная обмотка разомкнута, значит I₂= 0, = = = , если K > 1, U₁>U₂ , то трансформатор понижающий,

Достигается это посредством несложного устройства — трансформатора, созданного в \(1876\) году русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым.

Трансформатор — устройство, осуществляющее повышение и понижение напряжения переменного тока при неизменной частоте и незначительных потерях мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек изолированного провода и замкнутого стального сердечника, проходящего сквозь обе катушки. Катушки изолированы друг от друга и от сердечника. Одна из катушек, называемая первичной, включается в сеть переменного тока. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле первичной катушки — переменное и меняется с той же частотой, что и ток в первичной катушке. Переменный ток в первой катушке создаёт в стальном сердечнике переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает другую катушку, называемую вторичной, и создаёт в ней переменный индукционный ток.

Допустим, что первичная катушка имеет w 1 витков, и по ней проходит переменный ток при напряжении U 1 . Вторичная обмотка имеет w 2 витков, и в ней индуцируется переменный ток при напряжении U 2 .

Опыт показывает, что во сколько раз число витков вторичной катушки больше (или меньше) числа витков на первичной катушке, во столько же раз напряжение на вторичной катушке больше (или меньше) напряжения на первичной катушке:

Величина \(k\) называется коэффициентом трансформации . Коэффициент равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков во вторичной обмотке. Если \(k > 1\), трансформатор является понижающим , при \(k повышающим .

Во сколько раз увеличивается напряжение на вторичной обмотке трансформатора, примерно во столько же раз уменьшается в ней сила тока при работе нагруженного трансформатора.

В результате мощность тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора почти одинакова, поэтому коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора близок к единице. КПД у мощных трансформаторов достигает \(99,5\) %.

Трансформаторы широко применяются и в радиотехнике.

Схематическое устройство простейшего трансформатора показано на рис. 61. Он состоит из двух катушек из изолированного провода, именуемых обмотками, насаженных на магнитопровод, собранный из пластин специальной, так называемой трансформаторной стали; Обмотки трансформатора изображают на схемах так же, как катушки индуктивности, а магнитопровод — линией между ними.

Действие трансформатора основано на электромагнитной индукции. Переменный ток, текущий по одной из обмоток, создает вокруг нее и в магнитопроводе переменное магнитное поле. Это поле пересекает витки другой обмотки трансформатора, индуцируя в ней переменное напряжение той же частоты. Если к этой обмотке подключить какую-либо нагрузку, например лампу накаливания, то в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток — лампа станет гореть. Обмотку, к которой подводится переменный ток, предназначенный для трансформирования, называют первичной, а обмотку, в которой индуцируется переменный ток, — вторичной.

Напряжение, которое получается на концах вторичной обмотки, зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке приблизительно равно напряжению, подведенному к первичной обмотке. Если вторичная обмотка трансформатора содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее меньше, чем напряжение, подводимое к первичной обмотке. И, наоборот, если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подводимого к первичной обмотке. В первом случае трансформатор будет понижать напряжение, а во втором случае повышать его.

Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, можно довольно точно подсчитать по отношению витков обмоток трансформатора; во сколько раз она имеет большее (или меньшее) число витков по сравнению с числом витков первичной обмотки, во столько же раз напряжение в ней будет больше (или меньше) по сравнению с напряжением, подводимым к первичной обмотке. Так, например, если одна обмотка трансформатора имеет 1000 витков, а вторая 2000 витков, то, включив первую обмотку в сеть переменного тока напряжением 220 В, мы получим во второй обмотке напряжение 440 В — это повышающий трансформатор. Если же напряжение 220 В подвести к обмотке, имеющей 2000 витков, то в обмотке, содержащей 1000 витков, мы получим напряжение 110 В — это понижающий трансформатор.

Обмотка, имеющая 2000 витков, в первом случае будет вторичной, а во втором случае — первичной.

Но, пользуясь трансформатором, ты должен не забывать о том, что мощность тока (Р = VI), которую можно получить в цепи вторичной обмотки, никогда не превышает мощности тока первичной обмотки. Это значит, что получить от вторичной обмотки одну и ту же мощность можно, повышая напряжение и уменьшая ток, либо потребляя от нее пониженное напряжение при увеличенном токе. Следовательно, повышая напряжение, мы проигрываем в величине тока, а выигрывая в величине тока, обязательно проигрываем в напряжении.

Для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока часто используют трансформаторы с несколькими вторичными обмотками с различным числом витков. С помощью таких трансформаторов, называемых трансформаторами питания, получают несколько напряжений, питающих разные цепи.

Наибольшая мощность тока, которая может быть трансформирована, зависит от размера магнитопровода трансформаторов и диаметра проводов, из которых выполнены обмотки. Чем больше объем магнитопровода, тем большая мощность тока может быть трансформирована. Практически же в трансформаторе всегда бесполезно теряется часть мощности. Поэтому мощность в цепи вторичной обмотки (или сумма мощностей, получаемых от всех вторичных обмоток) всегда несколько меньше мощности, потребляемой первичной обмоткой.

Запомни: трансформаторы постоянный ток не трансформируют.

Если в первичной обмотке трансформатора течет пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение, частота которого равна частоте пульсаций тока в первичной обмотке. Это свойство трансформатора используется для индуктивной связи между разными цепями, разделения пульсирующего тока на его составляющие и ряда других целей, о которых разговор будет впереди.

Все трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопроводами из железоникелевых сплавов (пермаллоя) называют низкочастотными трансформаторами, так как они приемлемы для преобразования переменного тока низкочастотного диапазона.

Высокочастотные трансформаторы, предназначенные для трансформации токов высокой частоты, принцип действия которых также основан на электромагнитной индукции, могут быть без сердечников. Их обмотки (катушки) располагают на одном или разных каркасах, но обязательно близко одну к другой (рис. 62). При появлении тока высокой частоты в одной из катушек вокруг нее возникает быстропеременное магнитное поле, которое индуцирует во второй катушке напряжение такой же частоты. Как и в трансформаторах низкой частоты, напряжение во вторичной катушке зависит от соотношения чисел витков в катушках трансформатора.

Для усиления связи между катушками в высокочастотных трансформаторах используют сердечники в виде стержней или колец (рис. 63), представляющие собой спрессованную массу из неметаллических материалов. Их называют магнитодиэлектрическими или высокочастотны ми сердечниками. Наиболее распространены ферритовые сердечники. С одним из таких сердечников — ферритовым стержнем — ты уже имел дело во второй беседе.

Ферритовый сердечник не только усиливает связь между катушками, но и повышает их индуктивность, за счет чего они могут иметь меньше витков по сравнению с катушками трансформатора без сердечника.

Магнитодиэлектрический сердечник высокочастотного трансформатора независимо от его конструкции и формы обозначают на схемах так же, как магнитопровод низкочастотного трансформатора,—прямой линией между катушками.

Читайте также: