Принцип действия
Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
 |
| Рисунок 1. Принцип действия трансформатора Г – генератор переменного тока; Zнг – сопротивление нагрузки |
В простейшем случае (рисунок 1) трансформатор имеет одну первичную обмотку 1, к которой подводится электрическая энергия, и одну вторичную обмотку 2, от которой энергия отводится к потребителю (нагрузке). Передача энергии из одной обмотки в другую производится путем электромагнитной индукции. Для усиления электромагнитной связи между обмотками последние обычно располагаются на замкнутом ферромагнитном магнитопроводе 3. При частоте f < 50 Гц магнитопровод изготавливается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,50 мм. При более высоких частотах применяется более тонкая листовая сталь. При частоте порядка 100 кГц и выше потери на гистерезис и вихревые токи в подобном магнитопроводе становятся чрезвычайно большими, и в этом случае применяются трансформаторы без ферромагнитного магнитопровода (так называемые воздушные трансформаторы). Высокочастотные трансформаторы весьма малой мощности для радиотехнических, счетно-решающих и других устройств изготавливаются также с магнитопроводами из ферритов, которые представляют собой особый вид магнтодиэлектриков с малыми магнитными потерями.
При подключении первичной обмотки трансформатора (рисунок 1) к сети с синусоидальным напряжением U1 в обмотке возникает ток I1, который создает синусоидально изменяющийся магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуктирует электродвижущую силу (э. д. с.) как в первичной, так и во вторичной обмотке. При подключении к вторичной обмотке нагрузки в этой обмотке возникает вторичный ток I2 и на ее зажимах устанавливается некоторое напряжение U2. Результирующий магнитный поток магнитопровода Фс создается током обеих обмоток.
Видео 1. Устройство и принцип действия трансформатора
Электрические соотношения в идеальном трансформаторе
Назовем идеальным такой трансформатор, в котором: 1) отсутствуют потери энергии (сопротивления обмоток и потери в стали магнитопровода равны нулю); 2) магнитная проницаемость стали магнитопровода µс = ∞ и в листах стали магнитопровода нет разъемов и стыков; 3) все линии магнитной индукции проходят целиком по магнитопроводу и каждая линия сцепляется со всеми витками первичной (w1) и вторичной (w2) обмоток. Отметим, что при соблюдении последнего условия электромагнитная связь между первичной и вторичной цепями является полной и коэффициент электромагнитной связи обмоток трансформатора
 | (1) |
равен единице. Здесь L11 и L22 – собственные индуктивности, а M – взаимная индуктивность обмоток.
Э. д. с. первичной и вторичной обмоток такого трансформатора при синусоидальных переменных потоках соответственно равны:
 | (2) |
где Фс – амплитуда магнитного потока трансформатора.
Действующие значения этих э. д. с.
 | (3) |
Так как в идеальном трансформаторе падения напряжения отсутствуют, то
| U1 = E1 ; U2 = E2 . | (4) |
На основании выражений (3) и (4)
| U1 / U2 = E1 / E2 = w1 / w2 | (5) |
или
| U1 / U2 = k; U2 = U1 / k , | (6) |
где
| k = w1 / w2 | (7) |
называется коэффициентом трансформации трансформатора.
Поскольку в идеальном трансформаторе потери активной и реактивной энергии отсутствуют, то
U1 × I1 = U2 × I2 ,
откуда
| I2 / I1 = U1 / U2 = w1 / w2 | (8) |
или
| I2 / I1 = k ; I2 = k × I1 | (9) |
Таким образом, в идеальном трансформаторе первичное и вторичное напряжение прямо пропорциональны, а первичный и вторичный токи обратно пропорциональны числам витков соответствующих обмоток. В реальном трансформаторе полученные соотношения несколько нарушаются, однако в трансформаторах с ферромагнитными магнитопроводами эти отклонения при нагрузках, близких к номинальным, относительно малы.
Виды трансформаторов
Трансформатор с одной первичной и с одной вторичной обмоткой называется двухобмоточным. Во многих случаях применяются трансформаторы с несколькими первичными или вторичными обмотками. Такие трансформаторы называются многообмоточными. В последующих статьях в первую очередь рассматриваются двухобмоточные трансформаторы.
Чаще всего применяются однофазные и трехфазные трансформаторы. Трансформаторы с другим числом фаз используются в специальных устройствах.
В зависимости от назначения трансформаторы имеют некоторые особенности в конструкции и режимах работы.
Трансформаторы, служащие для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем (на электростанциях и подстанциях, промышленных предприятиях, в городских сетях, в сельском хозяйстве и так далее), называются силовыми. Частота тока силовых трансформаторов в России равна 50 Гц, а в США и в некоторых других странах 60 Гц. Силовые трансформаторы представляют собой наиболее распространенный и наиболее важный класс трансформаторов. Кроме этого, имеется целый ряд трансформаторов специального назначения: выпрямительные, сварочные, измерительные и другие.
Силовые трансформаторы
Бывают масляные и сухие. В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременно роль электрической изоляции и охлаждающего агента. Однако трансформаторное масло является горючим, в связи с чем при аварии таких трансформаторов существует определенная опасность возникновения пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом. В паспортных табличках силового трансформатора указываются следующие данные: 1) номинальная полная мощность Sн, кВ×А; 2) номинальные линейные напряжения обмоток Uл.н, кВ; 3) номинальные линейные токи Iл.н, А; 4) номинальная частота f, Гц; 5) число фаз m; 6) схема и группа соединения обмоток (смотрите статью "Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов"); 7) напряжение короткого замыкания uк (смотрите статью "Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора"); 8) режим работы (длительный, кратковременный); 9) способ охлаждения обмоток (смотрите статью "Элементы конструкции и способы охлаждения масляных трансформаторов").
Основные вопросы теории являются общими для всех видов трансформаторов. Однако в последующих статьях вопросы конструкции, теории и эксплуатации трансформаторов рассматриваются прежде всего применительно к силовым трансформаторам. Об особенностях других трансформаторов говорится вкратце отдельно.
Видео 2. Самый мощный автотрансформатор СВЭЛ на Урале
Посмотрели видео? Возникло чувство гордости за нашу страну?
Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.