При включении первичной обмотки трансформатора в сеть переменного тока по этой обмотке протекает ток I1, создающий магнитное поле. Большая часть магнитных линий замкнется по стальному магнитопроводу, образуя основной магнитный поток Ф0, который пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток (рис. 1.4). Некоторая часть магнитных линий замкнется по немагнитной среде, образуя поток рассеяния первичной обмотки Фs1. Магнитные линии потока рассеяния пронизывают витки только первичной обмотки и в процессе трансформирования энергии участия не принимают. При нагрузке трансформатора в его вторичной обмотке протекает ток I2, возбуждающий свое магнитное поле. Часть магнитных линий поля, возбуждаемого током вторичной обмотки, замкнется через немагнитную среду, образуя поток рассеяния вторичной обмотки Фs2. Этот магнитный поток не взаимодействует с потоком первичной обмотки.
Рис. 1.4 Схема работы трансформатора
Потоки рассеяния первичной Фs1 и вторичной обмоток Фs2 обычно очень малы по сравнению с основным магнитным потоком: магнитные линии потоков рассеяния замыкаются через воздух (или другой изоляционный материал) и встречают на своем пути очень большое магнитное сопротивление, тогда как основной магнитный поток замыкается по стали магнитопровода и встречает на своем пути относительно малое магнитное сопротивление. Потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток примерно одинаковы и сдвинуты но фазе на угол, близкий к 180°. Основной магнитный поток не совпадает по фазе с потоком рассеяния любой обмотки.
Например, при чисто активной нагрузке (рис. 1.5, а) потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток представятся синусоидами, имеющими одинаковые амплитуды и находящиеся в противофазе. Основной магнитный поток изображен синусоидой, сдвинутой относительно синусоид потоков рассеяния на четверть периода. При этом амплитуда основного магнитного потока много больше амплитуд потоков рассеяния. На рис. 1.5, б изображена упрощенная векторная диаграмма трансформатора при чисто активной нагрузке.
По вертикальной оси вверх направлен вектор приложенного напряжения U1 Амплитуда основного магнитного потока, изображенная вектором Фmaх повернута относительно вектора приложенного напряжения на π/2 в сторону отставания. При чисто активной нагрузке трансформатора ток вторичной обмотки I2 окажется отстающим относительно основного магнитного потока примерно на четверть периода (на диаграмме он изображен повернутым на π/2 относительно вектора Фmaх), а ток первичной обмотки I1 будет близок к совпадению с приложенным напряжением по фазе (на диаграмме он изображен совпадающим с вектором U1). Потоки рассеяния совпадают по фазе с токами, их создающими.
Основной магнитный поток возбуждается намагничивающим током Iμ, протекающим по первичной обмотке трансформатора и совпадающим по фазе с магнитным потоком. Следовательно, намагничивающий ток отстает от приложенного напряжения на π/2 по фазе и является чисто реактивным, потребляемым из сети.
Величина намагничивающего тока зависит от магнитных свойств материала магнитопровода. Следовательно, применение для магнитопроводов трансформаторов сталей с более высокой магнитной проницаемостью дает возможность увеличить магнитную индукцию и уменьшить поперечное сечение магнитопровода, что в свою очередь уменьшает массу магнитопровода и обмоток трансформатора.
Обмотки трансформатора имеют обычно большое число витков. В каждом витке первичной и вторичной обмоток индуктируется одинаковая ЭДС, так как все витки этих обмоток сцеплены с одним и тем же магнитным потоком. Таким образом, ЭДС каждой обмотки равна сумме ЭДС всех ее витков, т. е. произведению числа витков на ЭДС, индуктированную в одном витке.
Если w1 – число витков первичной, а w2 – число витков вторичной обмотки трансформатора, то индуктированные основным магнитным потоком трансформатора Фо ЭДС обмоток:
и (1.7)
Кроме того, как в первичной, так и во вторичной обмотках индуктируются ЭДС от потоков рассеяния Фs1 и Фs2:
и (1.8)
Положим, что основной магнитный поток синусоидален, т. е. Ф0=Фmaxsinωt.
Тогда ЭДС первичной обмотки:
, (1.9)
т. е. кривая e1 – синусоида, отстает от основного потока на π/2.
Действующее значение ЭДС первичной обмотки:
, (1.10)
вторичной обмотки:
(1.11)