Трансформатор – это электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, который преобразует параметры переменного тока: напряжение, ток, частоту, число фаз. Возможно также применение трансформаторов для преобразования синусоидального переменного тока в несинусоидальный.
Преимущественное применение в электрических установках получили силовые трансформаторы, преобразующие напряжение переменного тока при неизменной частоте. Трансформаторы для преобразования не только напряжения переменного тока, но и его частоты, числа фаз и т. д. называют трансформаторными устройствами специального назначения.
Силовые трансформаторы широко применяются в энергосистемах при передаче электроэнергии от электростанции к потребителям, а также в различных электроустановках для получения напряжений требуемой величины.
Трансформаторы разделяются, в зависимости от:
– числа фаз преобразуемого напряжения, на однофазные и многофазные (обычно трехфазные);
– числа обмоток, приходящихся на одну фазу трансформируемого напряжения, на двухобмоточные и многообмоточные;
– способа охлаждения, на сухие (с воздушным охлаждением) масляные (погруженные в металлический бак, заполненный трансформаторным маслом).
– вида трансформации напряжения на повышающие и понижающие.
– области применения на силовые и измерительные, испытательные.
Рис. 1.1. Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора
Рассмотрим однофазный двухобмоточный трансформатор. Его принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Однофазный двухобмоточный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток. Одна из обмоток – первичная – подключается к источнику переменного тока с напряжением U1 и частотой f (рис. 1.1).
Переменный ток, проходящий по виткам этой обмотки, создает МДС, которая наводит в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с витками обмоток трансформатора и индуцирует соответственно в первичной (w1) и вторичной (w2) обмотках ЭДС:
(1.1)
(1.2)
Если магнитный поток трансформатора – синусоидальная функция времени Ф=Фmaxsinωt, изменяющаяся с угловой частотой ω = 2πf, то после подстановки его в (1.1) и (1.2), дифференцирования и преобразования, получим действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмоток:
E1 = 4,44fw1Фmax (1.3)
E2 = 4,44fw2Фmax (1.4)
В режиме холостого хода трансформатора, когда ток во вторичной обмотке отсутствует (обмотка разомкнута), напряжение на выводах вторичной обмотки равно ЭДС вторичной обмотки E2=U20, а ЭДС первичной обмотки столь незначительно отличается от первичного напряжении, что этой разницей можно пренебречь: Е1 ≈ U1.
Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения (ВН) к ЭДС обмотки низшего напряжения (НН) называют коэффициентом трансформации k. Для режима холостого хода трансформатора отношение указанных ЭДС практически равно отношению напряжений:
k = E1/E2 = w1/w2 ≈ U1/ U20 (1.5)
Если w2 < w1 и U2 < U1, то трансформатор называется понижающим. Если w2 > w1 и U2 > U1, то трансформатор называется повышающим. Один и тот же трансформатор в зависимости от того, к какой из обмоток подводится напряжение, может быть понижающим или повышающим.
Если на выводы вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением ZН, то в обмотке появится ток нагрузки I2. При этом мощность на выходе трансформатора определяется произведением вторичного напряжения U2 на ток нагрузки I2. С некоторым приближением можно принять мощности на входе и выходе трансформатора одинаковыми, т. е. U1I1 ≈ U2I2. Из этого следует, что отношение токов в обмотках трансформатора обратно пропорционально отношению напряжений:
I1/I2 ≈ U2/U1 ≈ 1/k (1.6)
Таким образом, ток в обмотке низшего напряжения больше тока в обмотке высшего напряжения в k раз.
Трансформатор является аппаратом переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе этого трансформатора окажется постоянным как по величине, так и по направлению, т. е. dФ/dt=0. Такой поток не будет индуцировать ЭДС в обмотках трансформатора, что исключит передачу электроэнергии из первичной цени во вторичную. Кроме того, отсутствие ЭДС в первичной обмотке трансформатора приведет к возникновению в ней тока недопустимо большой величины, следствием чего будет выход из строя этого трансформатора.