РАЗДЕЛ 2. ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор – электромагнитное статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный другого напряжения той же частоты.
Назначение и области применения трансформаторов
При помощи трансформаторов осуществляются повышение и понижение напряжения, преобразование чисел фаз и в некоторых случаях преобразование частоты переменного тока. Трансформаторы используются при передаче и распределении электрической энергии в энергетических установках, а также для разнообразных преобразований переменного тока в промышленных установках, в устройствах связи, радио, автоматики, телемеханики и т.д.
Наибольшее значение имеют следующие типы трансформаторов:
1. Силовые трансформаторы – используются для передачи и распределения электроэнергии;
2. Силовые трансформаторы специального назначения – печные, сварочные, для выпрямительных установок;
3. Автотрансформаторы – для преобразования напряжения в небольших пределах;
4. Измерительные – для включения в схемы измерительных приборов;
5. Испытательные – для производственных испытаний под высоким напряжением;
6. Индукционные регуляторы – для регулирования напряжения.
Трансформатор является одним и важнейших элементов каждой электрической сети или системы. Передача электрической энергии на большие расстояния от места её производства до места потребления требует в современных системах не менее 4-х, 5-ти кратной трансформации напряжения. С этой целью в сетях энергосистем и энергопотребителей применяются силовые повышающие и понижающие трансформаторы. Для режима их работы характерны частота переменного тока 50 Гц. Суммарная установленная мощность трансформаторов должна в несколько раз превышать установленную мощность генераторов. Современная электромашиностроительная промышленность освоила выпуск 2-х и 3-х обмоточных трансформаторов мощностью от долей ВА до 1000 МВА в трёхфазном исполнении, с номинальным напряжением на стороне высокого напряжения (ВН) 6, 10, 35, 110, 220, 330, 400, 500, 750, 1150 кВ. Однофазные трансформаторы по расходу материалов и КПД менее выгодны, чем 3-фазные.
Принцип действия трансформатора
Рассмотрим принцип действия трансформатора на примере 1-фазного двухобмоточного трансформатора (рис. 2.1). Электромагнитная система 1-фазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток, размещённых на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток.
Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной
индукции Максвелла:
, (2.1)
где е – переменная ЭДС, индуктируемая в обмотке изменяющимся во времени t магнитным потоком Ф и пропорциональная числу витков обмотки w.
Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения:
, (2.2)
при этом в этой обмотке возникает переменный ток i 1, который создаёт переменный магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуктирует в первичной и вторичной обмотке переменные ЭДС, мгновенные значения которых е 1 и е 2, согласно законуМаксвелла, будут соответственно:
, (2.3)
. (2.4)
Следовательно, отношение мгновенных и действующих значений ЭДС в обмотках определяется выражением
. (2.5)
Если пренебречь падением напряжения в обмотках трансформатора, то получим
. (2.6)
Если вторичное напряжение 
, то трансформатор – повышающий, если 
, то трансформатор – понижающий. Таким образом, в трансформаторе преобразуются только напряжения и токи, мощность же остаётся приблизительно постоянной, только несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе.
Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называют коэффициентом трансформации:
. (2.7)
В системах передачи и распределения энергии, и в устройствах радиоэлектроники и автоматики в ряде случаев применяют трёхобмоточные и многообмоточные трансформаторы, что даёт возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений для энергоснабжения нескольких потребителей. В трёхобмоточных трансформаторах различают обмотки высшего, среднего и низшего напряжения.
Выводы:
· Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции;
· Трансформатор может работать только в сетях переменного тока;
· Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называют коэффициентом трансформации;
· Трансформатор преобразует напряжения и токи, мощность практически не изменяется.
