Устройство и принцип работы однофазного трансформатора

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, той же частоты.

По особенностям конструкции и назначению трансформаторы делятся на силовые, сварочные, измерительные и специальные.

Широкое применение имеют силовые трансформаторы. Их устанавливают на электростанциях. Они повышают напряжение до 220, 500, и 1150 кВ. Передача электрической энергии на большие расстояния при низких напряжениях экономически не выгодна из-за больших потерь электрической энергии в линии передач. Действительно, чтобы передать ту же самую мощность при пониженном напряжении, нужно увеличить силу тока, следовательно, увеличиваются потери энергии в проводах на выделение Джоулева тепла и необходимо увеличивать сечение проводов Приемники электрической энергии (из соображений безопасности) рассчитаны на более низкое напряжение (110-380 В). Кроме того, при высоком напряжении требуется усиленная изоляция токоведущих частей, что делает конструкцию приборов очень сложной. Поэтому высокое напряжение, при котором передается энергия, не может непосредственно использоваться для питания приемников. Перед потребителями устанавливают трансформаторы, понижающие напряжение. Таким образом, передача электроэнергии на большие расстояния под высоким напряжением позволяет уменьшить потери энергии в линии и уменьшает расход цветных металлов.

Устройство трансформатора. Трансформатор состоит из магнитопровода и обмоток. В простейшем стержневом трансформаторе магнитопровод изготавливают из листов электротехнической стали. Часть магнитопровода, на которой размещают обмотки, называют стержнем, а остальную часть – ярмом. Обмотки выполняют из медных или алюминиевых проводов.

В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность , номинальные напряжения - и токи первичной и вторичной обмоток - при полной (номинальной) нагрузке. Мощность потерь в трансформаторе, а значит и его температура нагрева с ростом растут. Поэтому, чем больше мощность трансформатора, тем эффективнее должно быть его охлаждение. Трансформаторы малой мощности имеют воздушное охлаждение. Трансформаторы средней и большой мощности погружают в трансформаторное масло, которое отводит тепло и предохраняет обмотки трансформатора от соприкосновения с воздухом, что замедляет износ изоляции и увеличивает пробиваемую способность.

Принцип работы трансформатора. Обмотку, к зажимам которой подводят электрическую энергию, называют первичной. Обмотку, которую подключают к потребителю – вторичной (рис.1).

Рис.1

Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения, то через нее пойдет переменный ток. Вокруг проводника с переменным током создается переменное магнитное поле, которое сосредоточено в основном в магнитопроводе и пронизывает витки первичной и вторичной обмоток. По закону электромагнитной индукции, в каждом витке будет наводиться ЭДС индукции:

Если магнитный поток изменяется по закону: , то

где: , т.е. вектор магнитного потока опережает вектор ЭДС индукции на (рис.2):

Рис.2.

Действующее значение ЭДС в одном витке можно определить по формуле:

в первой и второй обмотке трансформатора:

где ƒ- частота переменного тока, а и -число витков в обмотках.

В идеальном трансформаторе активное сопротивление обмоток, магнитный поток рассеивания и потери энергии равны нулю, поэтому можно считать, что:

Отсюда можно получить следующие соотношения:

где - коэффициент трансформации.

Таким образом, с помощью трансформатора можно повысить или понизить напряжение на потребителе. Значения напряжений будут отличаться в раз.

Для понижающего трансформатора - и . Для повышающего трансформатора - и .