Преобразование переменного тока. Трансформатор

Одно из важных преимуществ переменного тока перед постоянным заключается в том, что напряжение переменного тока относительно легко поддается изменению о помощью электромагнитной индукции, а способы преобразования постоянного тока сложны.

Прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте называют трансформатором (рис. 26.7, а). Он был изобретен П. Н. Яблочковым в 1876 г. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, сделанного из мягкой стали или феррита, на котором имеются две изолированные друг от друга катушки (их называют обмотками) с разным числом витков. Первичная обмотка включается в сеть переменного тока, а вторичная — соединяется с потребителем. Ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток (рис. 26.7, б), который наводит одинаковую э. д. с. индукции в каждом витке обеих обмоток. Если первичная обмотка имеет ω1 витков, а вторичная ω2, то э. д. с. индукции в обмотках прямо пропорциональны числу витков в них:

Ɛ1/Ɛ2 = ω1/ω2              (26.16)

При разомкнутой цепи вторичной обмотки (холостой ход трансформатора) напряжение U2 на ее зажимах равно э. д. с. Ɛ2. В первичной обмотке при этом течет слабый ток I₀, который называют током холостого хода. Так как падение напряжения на сопротивлении обмотки очень мало, то напряжение U1 немного больше э. д. с. Ɛ1, но практически U1 = Ɛ1.

Таким образом, при холостом ходе трансформатора напряжения на обмотках прямо пропорциональны числу витков обмоток:

U1/U2 = ω1/ω2.           (26.17)

Если число витков во вторичной обмотке ω2 больше, чем в первичной ω1, то трансформатор называют повышающим, а если ω2 меньше, чем ω1, — понижающим. Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называют коэффициентом трансформации n:

n = ω1/ω2.      (26.18)

Итак, у понижающего трансформатора n больше единицы, а у повышающего — меньше единицы.

Когда цепь вторичной обмотки замыкается (к трансформатору подключается нагрузка), ток вторичной обмотки I2 создает в сердечнике магнитный поток, направленный навстречу потоку первичной обмотки. Ослабление потока в сердечнике уменьшает э. д. с. Ɛ1 в первичной обмотке. Поэтому ток в ней возрастает до такого значения I1, при котором ее магнитный поток скомпенсирует встречный поток вторичной катушки и результирующий поток в сердечнике останется прежним.

Поскольку магнитный поток катушки пропорционален числу ее витков и току, то можно приближенно считать, что I1ω1=I2ω2 (на самом деле I1ω1 немного больше I2ω2). Отсюда:

I1/I2 = ω2/ω1,               (26.19)

т. е. сила тока в обмотках обратно пропорциональна числу витков.

Падения напряжения на сопротивлениях обмоток невелики, поэтому можно считать U1 ≈ Ɛ1 и U2 ≈ Ɛ2, т. е. выражение (26.17) приближенно справедливо и для трансформатора под нагрузкой.

Из (26.17) и (26.19) следует, что I1U1 ≈ I2U2. Это означает, что мощности тока в первичной цепи P1 и во вторичной цепи Р2 приближенно равны). (На рис. 26.7 б справа — условное изображение трансформатора.)