§ 83. Рабочий процесс трансформатора

При работе трансформатора под нагрузкой (рис. 104) в первичной и во вторичной его обмотке протекают токи, создающие потоки рассеяния Φ_s1 и Φ_s2. Потоки рассеяния сцеплены только с витками той обмотки, током которой они создаются, и всегда много меньше основного магнитного потока Φ_o, замыкающегося по магнитопроводу трансформатора (по стали), так как потоки рассеяния проходят через немагнитную среду.

Основной магнитный поток Φ_o, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуктирует в них э. д. с., зависящие от числа витков обмотки, амплитуды магнитного потока и частоты его изменения. Действующие значения э. д. с. обмоток:

E₁ = 4,44ω₁fΦ_m и E₂₁ = 4,44ω₂₁fΦ_m,

где Е₁ и Е₂ — действующие значения э. д. с. первичной и вторичной обмоток;
ω₁ и ω₂ — числа витков этих обмоток;
f — частота тока;
Φ_m — амплитуда (наибольшее значение) магнитного потока в сердечнике, вб.
Так как потоки рассеяния и падения напряжения в сопротивлениях обмоток трансформатора очень малы, то приближенно можно считать, что напряжения на зажимах первичной U₁ и вторичной U₂ обмоток равны э. д. с. этих обмоток, т. е. U₁ = E₁ и U₂ = E₂.
При холостом ходе трансформатора оба напряжения практически не отличаются по величине от соответствующих э. д. с. По этой причине отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой K, т. е.

Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первичной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U₁ на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U₂, не равное напряжению U₁. Если число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной, то в той же мере напряжение на зажимах вторичной обмотки меньше напряжения первичной обмотки и трансформатор является понижающим. Если же число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной, то и напряжение вторичной обмотки больше напряжения первичной и трансформатор окажется повышающим.

Пример. Первичная обмотка трансформатора с числом витков ω₁ = 660 включена в сеть напряжением U₁ = 220 в. Определить напряжение на зажимах вторичной обмотки, если число ее витков ω₂ = 36.
Решение.

Напряжение и э. д. с. вторичной обмотки трансформатора зависит от числа витков. Поэтому наиболее простым способом регулирования напряжения трансформатора является изменение числа витков одной из обмоток, чаще обмотки высшего напряжения.
Число витков изменяется обычно в пределах ± 5% от номинального. Для этой цели от одного из концов обмотки делают отводы.
Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой-либо приемник электрической энергии, то во вторичной цепи будет протекать ток I₂, а в первичной обмотке ток I₁ который может быть представлен геометрической суммой тока холостого хода и нагрузочного тока.
Первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически не соединены. Однако надо иметь в виду, что за счет магнитной связи между этими обмотками изменение тока во вторичной обмотке I₂ будет вызывать соответствующее изменение тока первичной обмотки I₁. Если увеличится ток во вторичной обмотке, то увеличится ток и в первичной обмотке. Наоборот, при уменьшении тока во вторичной обмотке уменьшится ток и в первичной обмотке. Если разомкнуть вторичную обмотку, то ток в ней станет равным нулю, а в первичной обмотке уменьшится до малой величины.
Ток I₀, протекающий по первичной обмотке трансформатора, при разомкнутой вторичной цепи называется током холостого хода, который значительно меньше номинального тока трансформатора.
По первичной и вторичной обмоткам при нагрузке протекают численно неравные токи. Если пренебречь потерями мощности в трансформаторе, то можно записать, что мощность, отдаваемая трансформатором приемнику энергии U₂I₂, равна мощности, потребляемой им из сети источника энергии U₁I₁ т. е.

U₂I₂ = U₁I₁,

откуда

и

I₂ = K I₁. (105)

Пренебрегая падением напряжения в сопротивлениях первичной обмотки трансформатора, можно допустить, как это было показано выше, при любой его нагрузке приближенное равенство абсолютных величин приложенного напряжения U₁ и уравновешивающей это напряжение э. д. с. первичной обмотки, т. е.

U₁ = E₁. (106)

На основании этого равенства можно сказать, что при неизменном по величине приложенном напряжении U₁ будет приблизительно неизменной э. д. с. E₁ индуктируемая в первичной обмотке трансформатора при любой его нагрузке.
А так как э. д. с. E₁ зависит от магнитного потока φ_m, то и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным.
Таким образом, при неизменном приложенном напряжении магнитный поток в сердечнике трансформатора будет практически неизменным при любом изменении нагрузки.
Ток I₂, протекающий по вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который, согласно закону Ленца, направлен встречно магнитному потоку в сердечнике, стремясь его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.
Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки I₂ возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно повышается как ток первичной обмотки I₁ так и магнитный поток, создаваемый этим током. Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий поток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике поддерживается неизменным.
В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U₁ больше напряжения вторичной обмотки U₂ в K раз, следовательно, и сила тока вторичной обмотки I₂ больше силы тока первичной обмотки I₁ также в К раз. В повышающем трансформаторе имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между силами токов в них. Если, например, включить на полную нагрузку трансформатор, напряжения первичной и вторичной обмоток которого равны U₁ = 220 в, U₂ = 24 в, то при номинальной силе тока первичной обмотки = 0,3 а сила тока во вторичной обмотке

Если напряжения первичной и вторичной обмоток соответственно равны U₁ = 127 в, U₂ = 510 в, то при силе тока во вторичной обмотке I₂ = 0,2 а в первичной обмотке сила тока будет примерно равна:

Таким образом, обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и выполнена из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением, так как сила тока в обмотке более высокого напряжения меньше силы тока в обмотке с более низким напряжением.