А.2. Принцип дії трансформатора

Теорія трансформаторів розглядається на прикладі простішого трансформатора, який являє собою однофазний двообмотковий двострижневий трансформатор (рис. А.2).

Однофазний двообмотковий трансформатор складається з замкненого феромагнітного осердя (магнітопроводу) та двох котушок, розташованих на ньому та зчеплених з єдиним магнітним потоком Ф.

О бмотка, яка приєднується до джерела перетворюваного змінного струму, називається первинною обмоткою. Величини, які стосуються первинної обмотки мають індекс p (primary). Обмотка, до якої приєднується навантаження, називається вторинною обмоткою. Величини, які стосуються вторинної обмотки, мають індекс s (secondary).

У відповідності до величини номінальної напруги обмоток трансформатора розрізнюють обмотки вищої напруги (ВН) та обмотки нижчої напруги (НН), як вже було зазначено.

Для трифазних двообмоткових трансформаторів вивідні кінці фазних обмоток вищої напруги позначаються 1U1–1U2, 1V1–1V2, 1W1–1W2, а вивідні кінці фазних обмоток нижчої напруги 2U1–2U2, 2V1–2V2, 2W1–2W2.

В начальному процесі та в деяких країнах прийнято інше позначення: вивідні кінці фазних обмоток вищої напруги – A–X, B–Y, C–Z, вивідні кінці фазних обмоток нижчої напруги – a–x, b–y, c–z.

Первинна обмотка АХ з кількістю витків N_p приєднується до мережі змінного струму частотою f з напругою u_р. До затискувачів вторинної обмотки ах з кількістю витків N_s приєднується навантаження з опором Z_l (load). У первинній обмотці протікає змінний струм і_р, в магнітопроводі наводиться змінний магнітний потік Ф, напрям якого визначається за правилом свердлика. У відповідності до закону електромагнітної індукції цей магнітний потік індукує в обмотках електрорушійні сили (ЕРС) та , які можна записати:

; .

Якщо вторинну обмотку замкнути на опір навантаження Z_l, то під впливом ЕРС е_s в колі вторинної обмотки протікатиме струм і_s, а на затискачах вторинної обмотки ах встановиться напруга u_s.

Характер змінювання струму, магнітного потоку, ЕРС, вторинної напруги визначається характером змінювання первинної напруги. Якщо вона змінюється за синусоїдальним законом, то інші величини будуть змінюватися за тим самим законом, але з різними початковими фазами.

Значення ЕРС визначається за законом електромагнітної індукції. При синусоїдальному характері змінювання магнітного потоку, ,

Тоді діюче значення ЕРС

ЕРС первинної та вторинної обмоток обумовлені однаковим магнітним потоком Φ. Тому отриманий вираз справедливий для обох обмоток:

;

Важливіший параметр трансформатора – це коефіцієнт трансформації, який визначається як

Величини, які стосуються обмотки вищої напруги мають індекс h (high). Величини, які стосуються обмотки нижчої напруги, мають індекс l (low).

Коефіцієнт трансформації завжди більше 1 (n  1).

Для інженерних розрахунків, зважаючи на малість падіння напруги на активних та індуктивних опорах обмоток трансформатора, можна вважати, що

, (А.1)

Якщо кількість витків первинної обмотки більше за кількість витків вторинної обмотки, тобто N_p  N_s, то напруга первинної обмотки буде більша за напругу вторинної обмотки, тобто U_р  U_s. У цьому випадку трансформатор називається трансформатором, що знижує напругу. У протилежному випадку, тобто N_p < N_s та U_р < U_s, буде трансформатор, що підвищує напругу.

Залежно від того, яка з обмоток вмикається до живильної електромережі, стають відомі номінальні параметри первинної обмотки: напруга і струм первинної обмотки . Тобто, якщо це обмотка ВН, то , ; якщо це обмотка НН, то , .

Для трифазних трансформаторів розрізняють фазні (індекс φ) та лінійні (індекс lin) коефіцієнти трансформації:

та .

Коефіцієнтом трансформації трифазного трансформатора є лінійний коефіцієнт трансформації.

Коефіцієнт трансформації трифазного трансформатора визначається в залежності від схем з’єднання обмоток ВН та НН:

(А.2)

Аналіз процесів у трифазних трансформаторах при симетричних режимах роботи можна проводити тільки для однієї фази. В інших фазах усе буде таким самим, але зі зсувом на 120 або на 240 відповідно. Отже, для аналізу процесів у трифазних трансформаторів використовуються рівняння, схеми заміщення, векторні діаграми, які отримуються для однофазних трансформаторів.