Назначение, устройство и принцип действия

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии переменного тока (напряжения, тока, частоты, числа фаз). Наибольшее распространение получили трансформаторы для преобразования величины напряжения переменного тока [1, 3, 4, 5, 15].

Двухобмоточный трехфазный трансформатор имеет две трёхфазные индуктивно связанные обмотки: обмотку высшего (ВН) и обмотку низшего (НН) напряжения. Для улучшения электромагнитной связи между обмотками и обеспечения эффективного преобразования электрической энергии обмотки располагают на стержнях замкнутого трёхстержневого магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью.

Обмотка, потребляющая электрическую энергию из сети, называется первичной, обмотка, отдающая электрическую энергию потребителю, - вторичной. Если напряжение первичной обмотки больше напряжения вторичной обмотки, трансформатор называют понижающим, если первичное напряжение меньше вторичного – повышающим.

На рис. 6.1 изображена электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора, на которой для удобства изображения первичная и вторичная обмотки расположены на разных стержнях.

Рис. 6.1. Однофазный двухобмоточный трансформатор

При подключении первичной обмотки трансформатора с числом витков w₁ в сеть переменного тока с синусоидальным напряжением u₁ и частотой f₁ по обмотке протекает ток i₁, создающий магнитодвижущую силу (МДС) F₁=i₁w₁ и магнитный поток Ф, замыкающийся в магнитопроводе. Поскольку магнитный поток изменяется во времени по гармоническому закону, изменяется потокосцепление с первичной и вторичной обмотками, в результате в них наводятся ЭДС, мгновенные значения которых определяются согласно закону электромагнитной индукции:

.

Если вторичную обмотку подключить к нагрузке, в ней возникает ток i₂ и устанавливается напряжение u₂. При протекании тока по вторичной обмотке создаётся МДС F₂ = i₂w₂, которая вместе с МДС F₁ создаёт результирующую МДС:

.

Сумму токов обозначают i_μ и называют намагничивающим током:

.

Намагничивающий ток создаёт результирующую МДС F_μ, а она - результирующий магнитный поток взаимной индукции Ф.

Действующие значения ЭДС в обмотках Е₁ и Е₂, индуктируемых результирующим магнитным потоком, определяются по формулам:

где Ф_m – амплитуда магнитного потока Ф взаимной индукции.

При работе трансформатора в нормальных режимах действующие значения напряжений U₁ и U₂ приблизительно равны ЭДС Е₁ и Е₂ соответственно:

U₁ / U₂ » Е₁ / Е₂ = w₁ / w₂.

Следовательно, преобразование напряжений в трансформаторе происходит благодаря неравенству чисел витков обмоток. Отношение фазных напряжений обмоток ВН и НН называют коэффициентом трансформации фазных напряжений.

U_ВН / U_НН = К.

Энергия из первичной обмотки передаётся во вторичную с помощью магнитного поля взаимной индукции с потоком Ф. Для обеспечения сильного поля и служит ферромагнитный магнитопровод.