5.2 Назначение и принцип действия трансформатора

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции первичной системы переменного тока во вторичную систему переменного тока.

Вторичная система переменного тока может отличаться от первичной любыми параметрами: значениями напряжения и тока; числом фаз; формой кривой напряжения (тока) или частотой.

По назначению трансформаторы подразделяются на силовые и специальные. В электротехнических установках и линиях электропередач применяются силовые трансформаторы, которые изменяют значения переменного напряжения и тока. К трансформаторам специального назначения относятся печные и сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики, испытательные и измерительные трансформаторы.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала, и двух обмоток, расположенных на его стержнях. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками является активной частью трансформатора. Остальные элементы трансформатора – неактивные (вспомогательные) части.

Магнитопровод изготавливается из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм, а обмотки из медных или алюминиевых проводов круглого или прямоугольного сечений от 0,02 до 60 мм². Первичная обмотка присоединяется к источнику переменного тока на напряжение U₁, а ко вторичной обмотке – нагрузка потребителя (рисунок 5.2). Обмотки не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в ее витках протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе магнитный поток Ф. Этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС: в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, а во вторичной – ЭДС взаимоиндукции:

; ,

(5.1)

где ω₁ и ω₂ – число витков в первичной и вторичной обмотках.

Рисунок 5.2 – Электромагнитная схема однофазного трансформатора

При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки в этой цепи создается ток i₂ под действием ЭДС е₂, и на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U₂.

Токи i₁ и i₂ в обмотках трансформатора помимо основного магнитного потока создают и магнитные потоки рассеяния, каждый из которых сцеплен с витками только собственной катушки, в которой он и индуцирует ЭДС рассеяния. Таким образом, в каждой из обмоток трансформатора индуцируются по две ЭДС: от основного потока Ф и ЭДС от потоков рассеяния первичной и вторичной обмотки.

ЭДС первичной обмотки Е₁, наведенная основным магнитным потоком находится в противофазе с подведенным напряжением U₁, а т. к. индуктивное и активноепадения напряжений малы, поэтому

Для вторичной обмотки трансформатора, замкнутой на нагрузку, уравнение напряжений имеет вид:

(5.2)

Из уравнения (5.2) следует, что напряжение на выходе нагруженного трансформатора отличается от ЭДС вторичной обмотки на величину падения напряжения во вторичной обмотке.

Действующие значения ЭДС равны:

и .

(5.3)

Коэффициент трансформации трансформатора

.

(5.4)

Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо повышающий либо понижающий. В «повышающих» трансформаторах U₂> U₁, а в «понижающих» U₂<U₁. Так как величины е₁ и е₂, наводимые в обмотках трансформатора, зависят от количества витков первичной ω₁ и вторичной ω₂ обмоток, то, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высокого напряжения (ВН), а обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН).

Свойства трансформатора определяются его параметрами: номинальными первичным и вторичным линейным напряжением; номинальными линейными токами первичной и вторичной обмоток и полной мощностью , кВА: для однофазного трансформатора, для трехфазного –.