Коэффициент трансформации трансформатора

Основу работы трансформатора определяет явление электромагнитной индукции. Сердечник трансформатора состоит из отдельных стальных пластин, собранных в замкнутую раму той или иной формы. На сердечнике помещены две обмотки S₁ и S₂ с числом витков w₁ и w₂. Обмотки имеют незначительное сопротивление и большую индуктивность.

Приложим к обоим концам обмотки S₁, которую назовем первичной, переменное напряжение U₁. По обмотке пройдет переменный ток I, который намагнитит сталь сердечника, создав в нем магнитный переменный поток. Намагничивающее действие тока пропорционально числу ампер-витков (Iw₁).

По мере нарастания тока будет расти магнитный поток и в сердечнике, изменение которого возбудит в витках катушки электродвижущую силу самоиндукции. Как только она достигнет величины приложенного напряжения, рост тока в первичной цепи прекратится. Таким образом, в цепи первичной обмотки трансформатора будут действовать приложенное напряжение U₁ и электродвижущая сила самоиндукции Е₁. При этом напряжение U₁ больше Е₁ на величину падения напряжения в обмотке, которое очень мало. Следовательно, приближенно можно написать:

U₁ = E₁.

Магнитный переменный поток, возникающий в сердечнике трансформатора, проходит также по виткам его вторичной обмотки, возбуждая в каждом витке этой обмотки такую же по величине электродвижущую силу, как и в каждом витке первичной обмотки.

Исходя из того, что число витков первичной обмотки равняется w₁, а вторичной - w₂, то индуктированные в них силы будут, соответственно, равны:

E₁ = w₁e,

E₂ = w₂e,

где е – электродвижущая сила, возникающая в одном витке.

Напряжение же U₂ на концах разомкнутой обмотки равно электродвижущей силе в ней, т.е.:

U₂ = E₂.

Следовательно, можно сделать вывод, что величина напряжения на обоих концах первичной обмотки трансформатора относится так к величине напряжения на концах второй обмотки, как число витков первичной обмотки относится к количеству витков вторичной обмотки:

(U₁/U₂) = (w₁/w₂) = k.

Постоянная величина k – коэффициент трансформации трансформатора тока.

В том случае, если нужно повысить напряжение, устраивают вторичную обмотку с увеличенным числом витков (т.н. повышающий трансформатор); в случае же, когда надо понизить напряжение, вторичную обмотку трансформатора берут с меньшим числом витков (понижающий трансформатор). Один трансформатор может действовать и как повышающий коэффициент трансформации, и как понижающий, в зависимости от того, какая обмотка применяется как первичная.

Вторичная обмотка пока разомкнута (тока в ней нет). Трансформатор работает вхолостую. При этом он потребляет небольшую энергию, так как ток, намагничивающий стальной сердечник, вследствие большой индуктивности катушки очень мал. Передача энергии во вторичную цепь из первичной при этом отсутствует. Данный опыт дает возможность узнать коэффициент трансформации, сопротивление холостого хода и ток трансформатора.

Нагрузим трансформатор, замкнув через реостат цепь вторичной обмотки. По ней теперь пойдет индукционный ток, обозначим его буквой I₂. Этот ток, согласно закону Ленца, вызовет уменьшение магнитного потока в сердечнике. Но ослабление магнитного потока в сердечнике приведет к уменьшению электродвижущей силы самоиндукции в первичной обмотке и к нарушению равновесия между этой силой Е₁ и напряжением U₁, даваемым генератором на первичную обмотку. В результате этого в первичной обмотке ток увеличится на какую-то величину I₁ и станет равным I + I₁. Вследствие увеличения тока магнитный поток в сердечнике трансформатора возрастет до прежней величины, и нарушенное равновесие между U₁ и E₁ снова восстановится. Таким образом, появление вторичного тока I₂ вызывает увеличение тока в первичной обмотке на величину I₁, которая определит нагрузочный ток первичной обмотки трансформатора.

При нагрузке трансформатора совершается непрерывная передача энергии во вторичную цепь из первичной. По закону сохранения и превращения энергии, мощность тока в первичной цепи равняется мощности тока во вторичной цепи; следовательно, должно действовать равенство:

I₁ U₁ = I₂U₂.

В действительности же это равенство не соблюдается, так как при работе трансформатора есть потери, хоть и небольшие. Коэффициент трансформации составляет около 94-99%.