Трансформаторы

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования значений переменных напряжений и токов без изменения частоты. Трансформаторы, кроме того, используются для гальванического разделения электрических цепей и для согласования сопротивлений.

Трансформаторы в зависимости от назначения делятся на силовые, сварочные, измерительные и специальные.

Трансформаторы также классифицируются по числу фаз (однофазные и трехфазные), по способу охлаждения (сухие и масляные), по соотношению первичной и вторичной обмоток (повышающие и понижающие), по числу обмоток (двухобмоточные и многообмоточные).

Трансформатор состоит из двух основных частей: магнитопровода и обмоток. Магнитопровод обычно исполняют составленным из отдельных пластин тонколистовой (толщиной 0,35-0,5 мм) горячекатаной или холоднокатаной электротехнической стали.

Обмотки трансформатора обычно выполняются в виде цилиндрических катушек из медного или алюминиевого изолированного провода круглого или прямоугольного поперечного сечения. Обмотка, которая присоединяется к сети, называется первичной, а к которой подключаются потребители – вторичной.

Рассмотрим принцип действия однофазного трансформатора (рис. 30.1). В основу его работы положено явление взаимоиндукции.

Положительные направления основных величин указаны на рисунке.

Рассмотрим два режима работы трансформатора: режим холостого хода и режим нагрузки.

Режим холостого хода

В этом режиме вторичная обмотка трансформатора разомкнута и, следовательно, i₂ = 0 и Ф_S2 = 0 . Основной магнитный поток Ф₀ определяется током холостого хода первичной обмотки i₁ = i₀.

Согласно закону Ома для первичной и вторичной цепи можно написать:

В комплексной форме уравнения запишутся:

,

где .

Таким образом, в режиме холостого хода трансформатор ничем не отличается от катушки с ферромагнитным сердечником, а векторная диаграмма отличается только наличием вектора ЭДС , направленного по оси –1. (см. рис. 30.2).

Отношение модулей первичного и вторичного напряжения принято называть коэффициентом трансформации .

В режиме холостого хода ток I₀ составляет единицы процентов от номинального тока в режиме нагрузки. Тогда, пренебрегая составляющими I₀R₁ и jL_S1I₀, получим

Трансформатор называется понижающим, если напряжение на вторичной обмотке ниже, чем напряжение питания. У понижающего трансформатора W₁  W₂ и к  1, у повышающего - W₁  W₂ и к  1.

Режим нагрузки

В этом режиме к зажимам вторичной обмотки подключено сопротивление нагрузки Z_H.

Согласно закону Ома для первичной и вторичной цепи можно записать:

В комплексной форме уравнения запишутся:

В отличие от режима холостого хода коэффициент трансформации при работе трансформатора под нагрузкой не может быть принят величиной постоянной. Любое изменение сопротивления нагрузки вызовет изменение напряжения U₂, а, следовательно, и коэффициента трансформации.

Обычно, напряжения I₁R₁ и jL_S1I₁ составляют единицы процентов от напряжения U₁. Поэтому для модулей величин можно записать:

т.е. при неизменном питающем напряжении основной магнитный поток Ф₀ при работе трансформатора в режиме нагрузки может считаться величиной постоянной и равной основному потоку в режиме холостого хода

А т.к. основной магнитный поток определяется магнитодвижущей силой трансформатора, равной сумме ампервитков, то

. (1)

Ток, определяемый в режиме холостого хода трансформатора, называют намагничивающим током. Как и основной поток, намагничивающий ток в трансформаторе практически не меняется.