Назначение и принцип действия трансформаторов

Трансформаторами называются статические электрические машины, служащие для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

В зависимости от назначения трансформаторы бывают массой от единиц грамм до десятков тонн. В зависимости от числа обмоток они делятся на двухобмоточные и многообмоточные. В зависимости от числа используемых фаз источника питания они делятся на однофазные и трехфазные. Трансформаторы малой и средней мощности (до 10 кВт) обычно охлаждаются за счет конвенции наружного воздуха или его принудительной циркуляции. Трансформаторы большой мощности обычно имеют масляное охлаждение.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Простейший однофазный двухобмоточный трансформатор состоит из трех основных частей: магнитопровода и двух обмоток. Одна из обмоток трансформатора - первичная – подключается к источнику переменного тока напряжением U₁ (рис. 1.1). Вторая обмотка – вторичная – обычно замыкается на нагрузку с полным сопротивлением Z_н, но она может оставаться и разомкнутой.

Рис. 1.1. Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора

Геометрические размеры магнитопровода и катушек выбираются такими, чтобы при всех режимах работы магнитопровод оставался ненасыщенным. Поэтому переменный ток, изменяющийся по гармоническому закону, протекая по первичной катушке, создает в ней переменный магнитный поток Ф, также изменяющийся по гармоническому закону:

. (1.1)

Замыкаясь по магнитопроводу, он сцепляется с обмотками трансформатора и наводит в них э.д.с. первичной и вторичной обмоток:

(1.2)

. (1.3)

Подставляя (1.1) в (1.2) и дифференцируя, получим:

, (1.4)

или

. (1.5)

Следовательно, э.д.с. отстает по фазе от потока на четверть периода ( ).

Максимальное значение э.д.с.

. (1.6)

Эффективное значение э.д.с. первичной обмотки будет равно:

. (1.7)

Аналогично для вторичной обмотки:

. (1.8)

При холостом ходе, когда ток вторичной обмотки равен нулю (I₂=0), э.д.с. первичной обмотки трансформатора практически равна первичному напряжению: , а э.д.с. вторичной обмотки равна вторичному напряжению: . Соответственно в векторной форме для первичной обмотки можно записать, что . Следовательно, магнитный поток отстает от напряжения по фазе на π/2.

Из (1.6, 1.7) легко видеть, что отношение э.д.с. обмоток однофазного трансформатора, а, следовательно, и напряжений при холостом ходе, равно отношению числа витков обмоток. Это отношение принято обозначать буквой k и называть коэффициентом трансформации:

. (1.9)

Если , то трансформатор называется понижающим, если - повышающим. Любой трансформатор является обратимым, т.е. в зависимости от способа включения он может работать как понижающий или как повышающий.