Однофазный трансформатор. 
Назначение и принцип действия

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, осуществляющий преобразование энергии переменного тока заданной частоты и заданного напряжения в энергию переменного тока той же частоты, но другого напряжения.

По назначению трансформаторы делятся на силовые, измерительные, радиотехнические и др.

Силовые трансформаторы — важнейшие элементы силовых электрических цепей. Они позволяют создать экономически эффективную, очень гибкую и удобную систему передачи и распределения электрической энергии.

На станциях электрическая энергия вырабатывается генераторами при высоком напряжении (6…30 кВ). Для уменьшения мощности потерь в проводах, пропорциональных квадрату тока в линии, необходимо повышать напряжение и соответственно уменьшать ток. Поэтому напряжение в линиях электропередач (ЛЭП) повышается от нескольких сотен до тысяч киловольт (500 кВ и выше).

Номинальное напряжение большинства потребителей колеблется от 127 до 500 В. Поэтому возникает необходимость создания ряда станций, понижающих напряжение до установленной номинальной величины.

Измерительные трансформаторы применяются в качестве элементов измерительных устройств при измерении токов и напряжений, величины которых больше номинальных значений для соответствующих измерительных приборов.

Радиотехнические трансформаторы включают в себя большую группу трансформаторов, служащих для согласования каскадов, усиления колебаний, преобразования высокочастотных и импульсных сигналов и др.

Современные трансформаторы имеют простую конструкцию и удобную форму исполнения. Они надежны в работе, при правильной эксплуатации почти не изнашиваются и могут работать практически неограниченное время, не требуя особого ухода и наблюдения.

Трансформатор имеет несколько (не менее двух) обмоток, электрически изолированных друг от друга. Обмотка, соединяемая с источником энергии, называется первичной, с нагрузкой — вторичной. Для усиления магнитной связи между обмотками последние располагаются на замкнутом ферромагнитном сердечнике. Он позволяет получить необходимый поток при небольшой намагничивающей силе.

Все электрические величины и параметры (ЭДС, токи, число витков и т. д.), относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, называются соответственно первичными и вторичными.

Рассмотрим принцип действия трансформатора на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 3.4.1).

Рис. 3.4.1.

Переменное напряжение (/" подведенное к первичной обмотке, создает в ней переменный ток /, который возбуждает в ка-тушке переменное магнитное поле. Основная часть линий магнитной индукции замыкается по сердечнику, образуя рабочий магнитный поток Ф. Линии этого поля, сцепленные с витками первичной и вторичной обмоток, образуют потокосцепления:

где и>, и и>₂ — число витков соответственно в первичной и вторичной обмотках. При гармоническом напряжении и" подведенном к первичной обмотке [(см. уравнение (3.3.6)], возникает синусоидальный рабочий поток (поток в сердечнике), отстающий по фазе от напряжения:

Вследствие периодического изменения рабочего потока в обмотках трансформатора индуктируются ЭДС:

Физический смысл соотношений (3.4.2) состоит в том, что изменение ЭДС е, и е₂ во времени отстают по фазе от изменения потока Ф на угол я/2, а максимальные значения.

пропорциональны числу витков в первичной и вторичной обмотках.

При работе трансформатора роль ЭДС е, и е₂ различна, ЭДС е" индуцируемая рабочим потоком в первичной обмотке, противодействует изменениям тока и уравновешивает часть напряжения источника питания м, ЭДС е₂, индуцируемая во вторичной обмотке, играет роль ЭДС источника. ЭДС е, ие₂, как видно из уравнения (3.4.2), являются синусоидальными функциями. Вследствие этого ток /₂ во вторичной цепи, пропорциональный е₂, также является синусоидальной функцией.

Таким образом, при синусоидальном напряжении источника питания и" ток i₂ и напряжение и₂ во вторичной обмотке также имеют синусоидальную форму.

Из соотношений (3.4.3) получаем расчетные формулы для действующих значений ЭДС:

так как при синусоидальных формах тока действующие значения ЭДС ?, и Е₂ меньше амплитудных в -Jl раза. Отношение большей ЭДС к меньшей называется коэффициентом трансформации. Если Е| > Е₂, из уравнений (3.4.4) следует.

где k — коэффициент трансформации.

Современные трансформаторы конструируют таким образом, что ЭДС Е, при нормальной нагрузке составляет 95…98% приложенного напряжения, т. е. е, «и,. При отсутствии нагрузки на трансформатор /₂ = 0 и ЭДС е₂ = и₂. При этих условиях из (3.4.5) имеем.

т.е. отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках при разомкнутой внешней цепи равно коэффициенту трансформации. Например, для трансформаторов, преобразующих напряжение городской кабельной сети 6000 В в напряжение 230 В, k = 6000/230 = 26. Если первичное напряжение больше вторичного U, > U₂, то трансформатор называется понижающим. Если первичное напряжение меньше вторичного U, < U₂, то трансформатор называется повышающим.

При замыкании вторичной цепи возникает ток i₂, который создает собственное магнитное поле в сердечнике. Это поле, накпадываясь на поле, созданное в сердечнике током образует суммарный, общий поток в сердечнике Ф. Влияние вторичного тока на первичную цепь будет рассмотрено далее.

Таким образом, в трансформаторе передача энергии между двумя электрически изолированными цепями осуществляется с помощью переменного магнитного поля в общем сердечнике.

Помимо суммарного, общего потока в сердечнике, токи /, и i₂ создают в окружающем пространстве поля рассеяния. Магнитные линии этих полей условно изображены на рисунке 3.4.1.

Линии поля рассеяния, сцепленные с витками первичной и вторичной обмоток, создают потокосцепления полей рассеяния и Ч'_2о. Линии поля рассеяния замыкаются в основном через воздух и немагнитные материалы. Вследствие этого потокосцепления ^<Ё_1я и Т_2а являются линейными функциями соответствующих токов. Периодические изменения потокосцеплений Ч',_а и индуцируют в обмотках дополнительные ЭДС е_1а и е_2о(ЭДС полей рассеяния).