Глава десятая. Трансформаторы

§ 82. Общие сведения о трансформаторах

Трансформатор был изобретен П. Н. Яблочковым, впервые применившим его в 70-х годах прошлого века в установках промышленного типа.

Ранее было указано, что трансформатор представляет собой электромагнитный аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга (рис. 189).

Рис. 189. Схема устройства трансформатора: 1 - первичная обмотка, 2 - сердечник, 3 - вторичная обмотка

Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключаются потребители (лампы накаливания, электродвигатели, нагревательные приборы и т. д.) или линии передачи, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой.

Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток Φ, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них э.д.с. е₂.

Так как магнитный поток переменный, то индуктированная э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.

Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будет индуктироваться э.д.с. е₁.

По закону электромагнитной индукции,

где w₁ и w₂ - числа витков первичной и вторичной обмоток.

В любой момент времени отношение э.д.с. индуктируемых в обмотках, равно отношению чисел витков этих обмоток:

Это отношение мгновенных значений э.д.с. справедливо также для амплитудных и действующих значений:

Отношение э.д.с. обмотки высшего напряжения к э.д.с. обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой k:

Далее (см. § 83) будет показано, что при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход трансформатора) можно принять, что э.д.с. обмоток равны напряжениям на их зажимах, т. е.

Из этой формулы видно, что во сколько раз число витков в первичной обмотке больше (или меньше) числа витков вторичной обмотки, во столько же раз напряжение первичной обмотки больше (или меньше) напряжения вторичной обмотки.

Вольтметры V₁ и V₂, включенные к зажимам первичной и вторичной обмоток (рис. 189), покажут нам напряжения U₁ и U₂ этих обмоток.

Номинальные напряжения обмоток высшего и низшего напряжений, указанные на заводском щитке трансформатора относятся к режиму холостого хода.

Номинальные токи обмоток равны частным от деления номинальной мощности трансформатора на соответствующие номинальные напряжения.

Пример 1. Имеется трансформатор, первичная обмотка которого включена в сеть 6600 в, а на зажимах вторичной обмотки напряжение равно 230 в. Определить коэффициент трансформации:

Коэффициент трансформации можно определить и опытным путем. Для этого нужно включить вольтметры к зажимам первичной и вторичной обмоток трансформатора и разомкнуть цепь вторичной обмотки, обеспечив тем самым холостую работу трансформатора. После этого показание вольтметра первичной обмотки следует разделить на показание вольтметра вторичной обмотки.

Вторичное напряжение трансформатора в общем случае не равно первичному напряжению. Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, если больше - то повышающим.

Значительная разница между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформаторов затрудняет построение векторных диаграмм и производство расчетов. Поэтому при изучении трансформаторов вторичная обмотка приводится к числу витков первичной обмотки. Приведение заключается в том, что число витков w₂ вторичной обмотки предполагают равным числу витков w₁ первичной обмотки. При этом э.д.с., ток и сопротивление вторичной обмотки соответственно изменяются. Приведение величин вторичной обмотки к числу витков первичной не должно изменять мощности и углов сдвига фаз в трансформаторе.

Приведенные величины вторичной обмотки обозначаются буквами со штрихом сверху, например Е₂¹, I₂¹, r₂¹ и т. д. Чтобы получить Е₂¹, нужно изменить Е₂ пропорционально коэффициенту трансформации k = ^w₁/_w2. Следовательно,

Приведенный вторичный ток I₂¹ определяется из условия, что после приведения полная мощность вторичной обмотки должна остаться неизменной:

откуда

Рассмотрев общие вопросы, касающиеся трансформатора, приступим к изучению режимов их работы.