Общие сведения

Под трансформатором понимают статическое (т.е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины, но той же частоты.

Трансформаторы по назначению подразделяются на три основные группы: силовые, согласующие и импульсные.

Силовые трансформаторы служат для передачи и распределения электрической энергии для различных технологических целей, например сварки (сварочные трансформаторы), а также для электропитания устройств радиоэлектронной аппаратуры, автоматики и вычислительной техники, электробытовых и осветительных приборов.

Электрические станции обычно располагаются вблизи естественных источников энергии и вырабатывают электрическую энергию напряжением 6 - 20 кВ. Для снижения потерь мощности в линиях электропередачи и уменьшения сечения проводов при передаче электроэнергии на дальние расстояния необходимо, чтобы электроэнергия передавалась при больших напряжениях (110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ). Поэтому на электростанциях устанавливают мощные трансформаторы, повышающие напряжение, причем мощность этих трансформаторов может достигать 1 млн. кВА.

Распределение электроэнергии между городами и населенными пунктами, между промышленными предприятиями и учреждениями городов, а также между цехами предприятий чаще всего осуществляется по воздушным и кабельным линиям при напряжениях 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей необходимо устанавливать трансформаторы, понижающие напряжение. Большинство приемников (потребителей) электроэнергии переменного тока работают при напряжениях 220, 380 и 660 В, поэтому в местах потребления электроэнергии также необходимо устанавливать понижающие трансформаторы. Таким образом, при передаче электроэнергии от электростанций к потребителям она подвергается в трансформаторах многократному преобразованию.

Трансформаторы, предназначенные для согласования напряжений или сопротивлений между каскадами (звеньями) в радиопередающих и радиоприемных устройствах, усилителях и других устройствах, называются согласующими. Эти трансформаторы подразделяют на входные, промежуточные и выходные.

Трансформаторы, используемые для передачи импульсов напряжения или тока из одной электрической цепи в другую, называются импульсными. Эти трансформаторы имеют широкое применение в импульсной технике.

Трансформатор состоит из двух и более обмоток, электрически изолированных друг от друга и охваченных общим магнитным потоком (Рис.1).

 

 

Для усиления индуктивной связи между обмотками они размещаются на магнитопроводе. Передача энергии от источника к нагрузке происходит посредством переменного магнитного поля в магнитопроводе.

Магнитопровод (магнитная система) выполнен из ферромагнитного материала и предназначен для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 - 0,35 мм.

Магнитопроводы трансформаторов, предназначенных для работы в области низких частот, выполняют двух типов: пакетные и спиральные. Пакетные магнитопроводы состоят из тонких пластин ферромагнитного материала кольцевой, П или Ш- образной формы. Спиральные магнитопроводы изготавливают из тонкой ферромагнитной ленты в виде туго навитой часовой пружины. Пластины и отдельные витки спирали изолируют друг от друга лаком, жидким стеклом и т.п. веществами и запекают. Для уменьшения вихревых токов, магнитопроводы собирают из листовой электротехнической стали.

Обмотка трансформатора - это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС витков.

Обмотки трансформаторов представляют собой катушки, намотанные из изолированного провода, в большинстве случаев медного, на изолирующий каркас или гильзу. Отдельные слои проводов изолируют друг от друга тонкой межслойной изоляцией из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаками; между обмотками прокладывают более толстую межобмоточную изоляцию.

Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, называется первичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке: число витков, напряжение, ток и т.д., – также именуются первичными. Обмотка, к которой подключается нагрузка (потребитель электроэнергии) и относящиеся к ней величины, называются вторичными. Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой принято называть соответственно совокупность трехфазных обмоток одного напряжения.

Трансформаторы, предназначенные для повышения напряжения в электрической цепи, называют повышающими, а служащие для понижения напряжения - понижающими.

Если первичное напряжение U1 трансформатора меньше вторичного U2, то он работает как повышающий трансформатор; в противном случае (U1> U2) – как понижающий.

На схемах трансформатор обозначается следующим образом:

Рис.2. Обозначение трансформатора на схеме.

 

Принцип работы трансформатора рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, так как рабочие процессы, протекающие в нем, характерны и для других типов трансформаторов. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику переменного напряжения u₁, то в ней возникнет ток i₁, который возбуждает в ферромагнитном магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₁. Магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу, пересекает первичную и вторичную обмотки и индуцирует в них э.д.с. e₁ и e₂ соответственно.

При подключении к зажимам вторичной обмотки нагрузки с сопротивлением Z_H под воздействием э.д.с. e₂ через нее будет протекать переменный ток I₂ и энергия из цепи первичной обмотки будет передаваться в цепь вторичной обмотки за счет переменного магнитного потока Ф₁. Вторичный ток i₂ образует в сердечнике трансформатора свой собственный магнитный поток Ф₂, который накладывается на поток первичной обмотки. В результате в магнитопроводе создается общий магнитный поток Ф, который сцепляется с витками обеих обмоток. Этот поток называют основным или рабочим потоком трансформатора.

Переменные э.д.с. е₁ и е₂ пропорциональны количеству витков w₁ и w₂ первичной и вторичной обмоток, а также скорости изменения потока dФ/dt (закон Максвелла):

Так как э.д.с. е₁ и е₂ наводятся одним и тем же магнитным потоком, то при синусоидальном напряжении u₁ действующие значения этих э.д.с.

Отсюда можно получить выражение для коэффициента трансформации трансформатора:

 

 

Таким образом, коэффициент трансформации трансформатора есть отношение э.д.с. его обмоток или отношение чисел витков этих обмоток. В паспорте трансформатора обычно указывают отношение номинальных напряжений в режиме холостого хода U_1н/U_2н, которое практически равно отношению э. д. с., так как при разомкнутой вторичной обмотке напряжение, приложенное к первичной обмотке, почти целиком уравновешивается ее э.д.с. (U₁ ≈ E₁), а вторичное напряжение равно вторичной э.д.с. (U₂₀ = Е₂). Поэтому выражение для коэффициента трансформации можно переписать в виде

Следовательно, коэффициент трансформации равен отношению напряжений на обмотках при холостом ходе трансформатора.

В процессе работы трансформатора в первичной обмотке электрическая энергия, потребляемая им из сети, преобразуется в энергию магнитного поля, а во вторичной обмотке, наоборот, энергия магнитного поля преобразуется в электрическую, отдаваемую затем потребителю. Небольшая часть мощности теряется в самом трансформаторе. При номинальном режиме мощность потерь в обмотках и магнитопроводе трансформатора невелика, поэтому трансформаторы обычно имеют высокий к.п.д., достигающий 98-99%.

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора является одним из основных параметров. Его оценивают отношением активной мощности, передаваемой в нагрузку – Р2, к активной мощности, поступающей в первичную обмотку трансформатора – Р1, т. е. η = Р2/Р1.

Таким образом, в трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же (из-за малых потерь на нагревание обмоток и магнитопровода трансформатора) практически остается постоянной, т. е. можно считать, что U₁I₁ ≈ U₂I₂. Следовательно,

U₁ / U₂ ≈ I₂ / I₁ ≈ E₁ / E₂ = w₁ / w₂ = k₁₂.

Итак, токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны их напряжениям.