Устройство и принцип действия трансформатора

Трансформатор -статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения и переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Потребность трансформирования - повышения и понижения переменного напряжения - вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше напряжение, чем при равной мощности источника энергии меньше ток. Следовательно, для передачи энергии требуются провода меньшего сечения, что приводит к значительной экономии цветных металлов, из которых изготовляются провода линий электропередачи. Потери электрической энергии в проводах также уменьшаются с уменьшением тока. При передаче электрической энергии от электростанций к потребителям происходит многократное повышение и понижение напряжения.

По назначению трансформаторы можно разделить на следующие типы:

силовые одно - и трехфазные трансформаторы номинальной мощностью от нескольких единиц до 1 млн кВ-А и напряжением до 1250 кВ используются в сетях для распределения электроэнергии. К силовым относятся и трансформаторы малой мощности от 10 до 300 В-А, применяемые в устройствах радиотехники, промышленной электроники и автоматики. По способу охлаждения силовые трансформаторы подразделяются на масляные и воздушные;

автотрансформаторы - используются для изменения (регулирования) напряжения, имеют, как правило, плавную регулировку выходного напряжения;

измерительные трансформаторы - применяются в качестве элементов измерительных устройств;

трансформаторы специального назначения - применяются в конкретных электротехнических устройствах для различных целей. Примерами могут служить сварочные трансформаторы для различных видов сварки, импульсные трансформаторы для преобразования высокочастотных импульсных периодически повторяющихся сигналов в радиолокационной технике и телевидении.

Конструктивное исполнение и электромагнитные процессы, происходящие в трансформаторах различных типов, имеют много общего. Поэтому для изучения их работы рассмотрим однофазный двухобмоточный трансформатор.

Трансформатор состоит из обмоток и магнитопровода - стального сердечника, набранного из листов электрической стали толщиной 0,35...0,5 мм для уменьшения потерь от вихревых токов. Листы сердечника покрываются лаком для изоляции друг от друга. Части магнитопровода, на которых располагаются обмотки, называются стержнями. Части магнитопровода, замыкающие стержни, называются ярмом. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, связанных между собой общим магнитным потоком. Обмотки электрически изолированы друг от друга; исключением в этом отношении являются автотрансформаторы, у которых обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения.

Однофазные трансформаторы по форме магнитопровода подразделяются на стержневые и броневые (рис.1). У маломощных трансформаторов сечение стержней выполняется прямоугольным, у мощных - близким к круглому.

Рис.1. Расположение обмоток однофазных трансформаторов со стрежневым (а) и броневым (б) магнитопроводами.

Обмотка трансформатора, соединенная с источником электроэнергии, называется первичной (рис.2). Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке: число витков w1 напряжение u1, сила тока i1 и т.д. Обмотка, соединенная с нагрузкой, называется вторичной, относящиеся к ней величины также называются вторичными (w2, и2, i2). У некоторых трансформаторов может быть несколько вторичных обмоток, питающих разные цепи.

Рис.2. Электромагнитная схема (а) и условные обозначения (б) однофазного двухобмоточного трансформатора.

Под действием подведенного переменного напряжения в первичной обмотке возникает ток i1, и возбуждается изменяющийся магнитный поток. Этот магнитный поток индуцирует в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции е1, а во вторичной обмотке - ЭДС взаимоиндукции е2. ЭДС е2 создаст напряжение u2 на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичной цепи на нагрузку возникает ток i2, который образует собственный магнитный поток, накладывающийся на поток первичной обмотки. В результате создастся общий поток Ф. Стрелки направления напряжения u1 и тока е1, представляют первичную обмотку как приемник энергии. Положительное направление потока Ф связано с током i1, правилом правоходового винта. Стрелки направления е2 и i2 соответствуют представлению вторичной обмотки источником энергии. Силовые линии магнитного поля замыкаются как по сердечнику, так и по воздуху вокруг витков обмоток, создавая магнитные потоки рассеяния Фр! и Фр2, которые, в свою очередь, наводят в первичной и вторичной обмотках ЭДС рассеяния ер1 и ер2.. Для идеализированного трансформатора, у которого потоки рассеяния и активные сопротивления обмоток пренебрежимо малы, и1 - е1; и2 = е2, откуда

U1m = E1m; U2m - Е2т.

В случае, если

и1 = U1m sin ωt, то Ф (t) = Фm sin ωt – π, где Фm =

U1m

w1ω

Таким образом, при синусоидальном входном напряжении магнитный поток и1 в сердечнике Ф (t) также синусоидален и отстает от напряжения на угол π/2. Поток Ф (t) индуцирует в обмотках синусоидальные ЭДС, мгновенные значения которых

е1= E1msin (ωt - π), ег= Е2тsin (ωt - π), где Е1т = w1ωФm; Е2т = w2ωФm.

Из этих выражений видно, что е1 и е2 отстают от Ф на угол π/2, а от и1 - на угол π. Действующие значения синусоидальных ЭДС обмоток