Электромагнитные устройства Трансформаторы
Назначение и принцип действия трансформатора
Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, у которых есть общий магнитопровод и которые электрически изолированы друг от друга.
Обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листов
электротехнической стали (рис. 9.1). Магнитопровод отсутствует лишь в воздушных
трансформаторах, которые применяются при частотах около 20 кГц и выше, когда магнитопровод
почти не намагничивается из-за увеличения вихревых токов.
Обмотка трансформатора,
соединенная с источником питания, называется первичной, а обмотка, к которой подключается
потребитель электроэнергии, называется вторичной. Параметры, относящиеся к первичной
обмотке, обозначаются индексом 1, например, 
, 
, 
, относящиеся к вторичной обмотке — обозначают с индексом
2.
Различают однофазные и трехфазные трансформаторы.
На щитке трансформатора указывают его номинальное напряжение, полную мощность, токи, напряжение короткого замыкания, число фаз, частоту, схему соединения, режим работы и способ охлаждения.
В зависимости от напряжения различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН). По способу охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. На рис. 9.2 показан трехфазный трансформатор масляный с трубчатым баком, где 1 — магнитопровод; 2 — обмотка НН; 3 — обмотка ВН; 4 — выводы обмотки ВН; 5 — выводы обмотки НН; 6 — трубчатый бак; 7 — кран для заполнения маслом; 8 — выхлопная труба для газов; 9 — газовые реле; 10 — расширитель масла; 11 — кран для спуска масла.
Если первичное напряжение 
больше вторичного 
, трансформатор называют понижающим, если 
– повышающим.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Под воздействием переменного тока первичная обмотка создает в магнитопроводе переменный магнитный поток
(9.1)
Рис. 9.2
который пронизывает обмотки и индуктирует в них ЭДС
(9.2)
где 
– амплитудные значения ЭДС.
Разделив максимальные
значения ЭДС на 
, получим действующее значение ЭДС в
обмотках
; 
.
(9.3)
Из (9.2) и (9.3) следует, что ЭДС обмоток отстают по фазе от магнитного потока на 90°, и пропорциональны числу витков.
Соотношение ЭДС обмоток называется коэффициентом трансформации
.
(9.4)
Если 
, то вторичная ЭДС меньше первичной и трансформатор называется
понижающим, при 
– трансформатор повышающий.
Применяют и другое
определение для коэффициента трансформации: отношение номинального высшего напряжения
трансформатора к номинальному низшему напряжению. В этом случае коэффициент трансформации
всегда больше единицы: 
.
Так как во вторичной обмотке индуктируется ЭДС, то при подключении нагрузки к ее выводам в контуре обмотка-нагрузка протекает ток и выделяется электрическая энергия. Таким образом, с помощью магнитной связи поток электрической энергии передается из первичной цепи во вторичную. В этом и состоит принцип работы трансформаторов.
Заметим, что положительные направления напряжения на рис. 9.1 показаны стрелкой от точки с высшим потенциалом к точке с низшим потенциалом, первичная обмотка рассматривается как приемник, вторичная — как источник электрической энергии.
Основные соотношения в идеальном трансформаторе
Идеальным трансформатором
называют трансформатор, у которого активное сопротивление обмоток равно нулю,
отсутствуют магнитные потоки рассеяния, потери мощности в магнитопроводе равны
нулю. При таких допущениях схема трансформатора и векторная диаграмма показаны
на рис. 9.3. В режиме холостого хода ток вторичной обмотки равен нулю: 
, а ток и МДС первичной обмотки равны 
и 
.
Уравнение электрического равновесия выражается равенствами
или
(9.5)
В режиме нагрузки ток вторичной обмотки оказывает размагничивающее действие и геометрическая сумма МДС обмоток равна результирующей МДС (рис. 9.3 б)
 |
или
. (9.6) Соотношение (9.5) 
справедливо как для холостого тока, так и при нагрузке.
Следовательно, при 
магнитный поток 
и результирующая МДС (9.6) также постоянна (
) независимо от нагрузки. Так как ,
то возрастающий ток нагрузки 
автоматически
приводит к увеличению тока в первичной цепи трансформатора за счет ЭДС самоиндукции
первичной обмотки.
Так как ток холостого хода мал и не превышает 5 % от номинального, то
Отсюда
.
Следовательно, в идеальном трансформаторе отношение токов обмоток обратно пропорционально их напряжениям. Это соотношение справедливо при нагрузках, близких к номинальным и неприменимо в режиме, близком к холостому ходу.
Векторная диаграмма трансформатора
 |
В реальном трансформаторе в отличие от идеального учитываются активные сопротивления обмоток, магнитные потоки рассеяния обмоток и потери мощности в стали. На рис. 9.4 активные сопротивления
и 
и индуктивные Рис. 9.4
сопротивления
и 
от потоков рассеяния выделены отдельно, а обмотки показаны
идеальными без этих сопротивлений. Согласно второму закону Кирхгофа уравнения
для первичных и вторичных цепей в комплексной форме имеют вид
(9.7)
Этим уравнениям соответствует
векторная диаграмма (рис. 9.5), построенная для активно-индуктивной нагрузки 
. Из анализа диаграммы при переменной нагрузке следует,
что с увеличением вторичного тока увеличиваются ток первичной обмотки и коэффициент
мощности.
