Как работает трансформатор

Понять, как работает трансформатор будет не сложно, если разобраться с механизмом магнитной индукции.

Благодаря явлениям магнитной индукции, изменяющийся по величине электрический ток любого проводника посредством магнитных взаимодействий вызывает движение электронов в близко находящихся проводниках. В результате, в замкнутых проводниках может возникать электрический ток, вызываемый вынужденным движением электронов. На концах разомкнутых проводников возникает разность потенциалов, так же вызванная вынужденным смещением электронов. Ток и напряжение, создающие силовое магнитное поле принято называть первичными. Токи и напряжения, возникающие в результате магнитной индукции в близко расположенных проводниках, называют вторичными.

Величина силового магнитного действия, вызванного током электронов зависит от двух факторов – величины первичного тока и величины магнитной связи между первичными и вторичными электронами.

Величина первичного тока зависит от сопротивления первичного проводника и приложенного к нему напряжения.

Величина магнитной связи зависит от магнитных свойств материала, заполняющего пространство между первичным и вторичными проводниками. Различные материалы способны как снижать, так и увеличивать эту связь. Для усиления магнитной связи в конструкциях трансформаторов применяют материалы, усиливающие магнитную связь между первичным и вторичными проводниками.

Трансформатор – электротехническое устройство, специально сконструированное и предназначенное для преобразования первичной электрической величины переменного характера во вторичные.

Конструкция трансформатора

Рисунок 1. Устройство трансформатора.

Основными элементами конструкции любого трансформатора являются обмотки, намотанные изолированным металлическим проводом на каркас, или бескаркасным способом. Обмотки охватывают сердечник, изготовленный из специальной электротехнической стали, или другого магнитного материала (рисунок 1).

Принцип работы трансформатора

Изменение магнитного поля в пространстве любого проводника вызывает в нём смещение электронов.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения по ней протекает переменный электрический ток (первичный ток). Этот ток вызывает изменение магнитного поля в своём окружении. Большая часть магнитного поля концентрируется в магнитопроводе. Таким образом, в магнитопроводе формируется изменяющееся магнитное поле, напряжённость которого повторяет по форме изменение первичного тока.

Переменное магнитное поле вызывает смещение электронов во вторичной обмотке. Это проявляется как возникновение напряжения на концах вторичной обмотки. При подключении к концам вторичной обмотки нагрузки, через неё будет протекать ток.

Так происходит передача электрической энергии посредством магнитной индуктивной связи между электрически изолированными обмотками трансформатора.

Трансформаторный эффект

Напряжение вторичных обмоток зависит от скорости изменения магнитного поля и связано с напряжением первичной обмотки простой закономерностью. Упрощённо можно сказать, что напряжение одиночного витка первичной и вторичных обмоток равны.

Например, для создания единичной величины напряжённости магнитного поля к первичной обмотке приложено напряжение U1. К каждому витку обмотки прилагается напряжение u=U1/w1, где u – напряжение одного витка, w1 – количество витков первичной обмотки. На концах вторичной обмотки возникнет напряжение U2=u*w2, где w2 – количество витков вторичной обмотки.

Изменяя количество витков вторичной обмотки, мы можем получать вторичные напряжения по величине меньше или больше первичного. В этом заключается трансформаторный эффект.

Отношение напряжения вторичной обмотки к напряжению первичной К=U2/U1 называется коэффициентом трансформации. При К<1 трансформатор называется понижающим, при K>1 - повышающим. Так же коэффициент трансформации определяется соотношением количества витков вторичной обмотки к количеству витков первичной K=w2/w1. Это соотношение удобно применять для расчёта необходимого количества витков обмоток при известном количестве хотя бы одной из них.

Например, есть трансформатор с первичной обмоткой на напряжение U1=220 В и количеством витков w1=4400 витков (часто данные обмоток указываются в паспорте, порой на самих обмотках трансформаторов). Есть вторичная обмотка, напряжение которой нас не устраивает. Мы сматываем ненужную вторичку, и рассчитываем требуемые данные, скажем для обмотки на U2=35 В. К=U2/U1=35/220=0,159; K=w2/w1 => w2=w1*K=4400*0,159=700 витков.

Показанный расчёт обмоток является приближённым и не учитывает габаритную мощность и нагрузочные характеристики трансформатора, но это уже тема для отдельного разговора.