Принцип действия трансформатора

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 50, а). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока на напряжение U₁. К другой обмотке, называемой вторичной, подключена нагрузка (потребитель) Z_н.

Рис. 50. Электромагнитная и принципиальная схемы трансформатора

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и энергия из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток F. Если весь этот поток пронизывает витки (контур) первичной и вторичной обмоток трансформатора, то по закону электромагнитной индукции он индуктирует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции - ,

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции - ,

где W₁ и W₂ - числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора соответственно.

При подключении нагрузки Z_н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки установится напряжение, действующее значение которого равно U₂. В повышающих трансформаторах U₂ > U₁, а в понижающих U₂ < U₁.

Таким образом, в первичной обмотке трансформатора происходит преобразование электрической энергии, потребляемой из сети, в энергию магнитного поля, а во вторичной обмотке - преобразование энергии магнитного поля в электрическую энергию, отдаваемую, в основном, нагрузке.

ЭДС е₁ и е₂, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков W₁ и W₂ в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор практически на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высокого напряжения (ВН или ОВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, - обмоткой низшего напряжения (НН или ОНН).

На рис. 50, б показано изображение однофазного трансформатора на принципиальных электрических схемах.

Трансформатор - это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе трансформатора через время переходного процесса установится поток, который также будет постоянным как по величине, так и по направлению , поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

Современный трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака для охлаждения и др. Магнитопровод с расположенными на его стержнях обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные его элементы называют неактивными (вспомогательными) частями.

Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т. е. он состоит из тонких (толщиной 0,1¼0,5 мм) пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.

Магнитопровод обычно состоит из стержней, на которых располагаются обмотки, и ярм, которые замыкают магнитную цепь. На рис. 51 приведен эскиз стержневого пластинчатого магнитопровода, основные размеры которого обозначены следующим образом: a_с - ширина сердечника; h_я - высота ярма; b - ширина окна (в нем размещаются обмотки трансформатора); b_с - толщина стержня (пакета); H - высота окна.

Рис. 51. Эскиз магнитопровода

Гост предусматривает стандартные обозначения начал и концов обмоток. В однофазных трансформаторах они обозначаются буквами А, Х у обмоток высшего напряжения; а, х - у обмоток низшего напряжения. В трехфазных трансформаторах начала и концы фазных обмоток высшего напряжения соответственно обозначают A, B, C и X, Y, Z, а для обмоток низшего напряжения - a, b, c и x, y, z.