Назначение, устройство и принцип действия трансформатора

Трансформатор - это статический электромагнитный аппарат, пред­на­значенный для преобразования переменного тока одного на­пряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы находят широкое применение для передачи и распределения электрической энергии, для различных технологических целей и для питания различных цепей радио-, электронно-вычислительной и телевизионной аппаратуры, устройств связи, автоматики, телемеханики и т. д.

Трансформаторы бывают двух типов: понижающие напряжение (например, до 400 В и ниже) и повышающие напряжение (до 3¼500 кВ и выше). Трансформаторы обладают свойством обратимости. Один и тот же трансформатор можно использовать как повышающий, так и понижающий.

Различают одно-, трёх- и многофазные, двух-, трёх- и многообмоточные трансформаторы.

Диапазон мощностей силовых масляных трансформаторов общего назначения от 10 кВА до 630 МВА на напряжения (первичные) 10(6), 35, 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, сухого исполнения – от единиц В×А до 2500 кВА на первичные напряжения 380, 500, 660, 10000 В и вторичные – 230 и 400 В. Силовые трансформаторы однофазные, мощностью 4 кВА и ниже и трёхфазные - 5 кВА и ниже относят к трансформаторам малой мощности. Такие трансформаторы широко применяются в преобразовательной, бытовой технике, радиоэлектронной и электронно-вычисли­тель­ной аппаратуре.

Наряду с силовыми трансформаторами в практической электротехнике широко используются измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Простейший трансформатор (рис. 5.1) состоит из трех частей: магнитопровода и двух обмоток (первичной и вторичной). Первичная обмотка подключается к сети или к источнику переменного напряжения. К вторичной обмотке подключается нагрузка. Обмотка с более высоким напряжением называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с более низким – обмоткой низшего напряжения (НН).

При подключении первичной обмотки А - Х силового трансформатора к сети первичный ток i ₁, прохо­дя по её вит­кам , возбуждает в сердечнике синусоидальный магнитный поток

Ф = Ф _m sin wt,

где w =2 pf - угловая частота питающего напряжения u ₁ (рис. 5.1). Этот поток, пронизывая витки w ₁ первичной и витки w ₂ вторичной обмоток, наводит в них ЭДС

и .

Или (для действующих значений):

E ₁ = 4,44 f w ₁ Ф _m и E ₂ = 4,44 f w ₂ Ф _m.

С вторичной обмотки а - х снимается напряжение u ₂, которое пода­ётся к потребителю электрической энергии Z _н.

 Ток первичной обмотки трансформатора при отключенной наг­рузке (Z_н = ¥) является его током холостого хода I ₀. Его выра­жают в процентах по отношению к номинальному первичному току I _{1 ном} , т. е.

i ₀ (%) = 100 I ₀ / I _{1 ном} .                                   (5.1)

Ток холостого хода i ₀(%) в силовых трансформаторах составляет (2…5) %, а в маломощных трансформаторах может соста­вить (20…50) % номинального тока I _{1 ном} .

Отношение ЭДС первичной обмотки трансформатора к ЭДС втори­чной обмотки, равное отношению соответствующих чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации трансформатора

n = E ₁/ E ₂ = w ₁/ w ₂.                                       (5.2)

В трансформаторе с ферромагнитным сердечником передача энергии от первичной обмотки во вторичную цепь (в нагрузку) происходит без больших потерь. У таких трансформаторов – высокий КПД, равный

 ,                                      (5.3)

где   Р ₁= U ₁ I ₁,   Р ₂= U ₂ I ₂ – мощности первичной и вторичной обмоток (Вт).