Трансформаторы. 
Основы электротехники, микроэлектроники и управления

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между потребителями необходимо трансформировать ее параметры — напряжение и ток. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов.

Трансформатор — статический электромагнитный аппарат, действие которого основано на явлении взаимной индукции. Он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами ?/,/, в энергию переменного тока с параметрами 1/₂, 1₂ той же частоты.

Принцип индуктивной связи двух обмоток впервые открыт Фарадеем в 1831 г. В период 1870—1880 гг. был создан однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, а в 1880—1890 гг. был разработан трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который усиливал магнитную связь между обмотками и обеспечивал повышенные техникоэкономические показатели трансформатора.

Принцип действия и область применения трансформаторов

Трансформатор (рис. 5.1) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две обмотки с числом витков и №2, выполненные из медного или алюминиевого провода.

Обмотку, подключенную к источнику питания, называют первичной, а обмотку, к которой подключаются приёмники, — вторичной. Все величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято обозначать соответственно индексами 1 и 2.

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков и>, включить в сеть переменного тока, то напряжение сети (/, вызовет в ней ток /, и магнитодвижущую силу (МДС).

Рис. 5.1. Устройство однофазного трансформатора.

/, уг, (см. главу 3). МДС создает основной переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу трансформатора. Магнитный поток Ф индуцирует в первичной обмотке XVI ЭДС, а в обмотке м/₂ — ЭДС Е_г. Если к вторичной обмотке присоединена нагрузка, то она оказывается замкнутой и ЭДС Е_г вызовет в ней ток /₂.

Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами С/, /, и частотой / будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрами.

и₂, 1₂ ^и /•.

Мощность трансформатора при этом определяется по формуле:

Допускаем, что

Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток в соответствии с явлением электромагнитной индукции, определяются по формулам:

Их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны:

где Ф_т — амплитудное значение магнитного потока.

Разделив значение ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

Величина п называется коэффициентом трансформации.

На рис. 5.1 цепи обмоток трансформатора представлены активными сопротивлениями первичной — Л, и вторичной обмоток /?₂, а также и индуктивностями I, и Индуктивности и ?₂ обусловлены потоками рассеяния соответственно первичной — Ф_аХ и вторичной обмоток Ф_а1. Потоки рассеяния Ф_а[ и Ф_а2 пропорциональны токам соответственно /, и /₂, причем коэффициенты пропорциональности — это индуктивности Ц и ?₂, (см. 3.5).

Передача электрической энергии большой мощности на большие расстояния технически возможна и экономически целесообразна при малых сечениях проводов линии передачи и малых потерях энергии в них. Сечение проводов и потери мощности в них определяются величиной тока, а ток при заданной мощности 5, как известно, зависит от напряжения и:

Естественно, чем выше напряжение, тем меньше ток, меньше сечение проводов и потери мощности в них.

Напряжение синхронных генераторов электрических станций относительно невелико: 15 000 — 24 000 В, сечение проводов и потери мощности в проводах линии передачи при этом напряжении были бы слишком велики. Поэтому на электрических станциях с помощью трансформаторов напряжение повышают до 110 000 — 750 000 В и при таком напряжении электроэнергию передают на большие расстояния к местам потребления. Энергия такого высокого напряжения не может быть использована подавляющим числом потребителей, поскольку по технико-экономическим соображениям и условиям безопасности они рассчитаны для работы при относительно низком напряжении — порядка 220 — 380 — 500 В. Следует отметить, что имеется довольно широкая группа потребителей, работающих при напряжении 10 кВ. Поэтому в местах потребления электрической энергии (в конце линии передачи) напряжение понижают до требуемых значений — также с помощью трансформаторов. Таким образом, силовая электроэнергетика — это основная область применения трансформаторов, где без них обойтись невозможно.

Трансформаторы широко используются также во всякого рода измерительных устройствах, радиоприемниках, телевизорах, осциллографах, для местного освещения и т. п. В этих случаях трансформатор преобразует имеющееся стандартное напряжение электрической сети в напряжение другого значения, которое необходимо для питания отдельных элементов электротехнических устройств. Во многих случаях трансформаторы имеют несколько обмоток. Трансформаторы используются в сварочных и электротермических установках. Трансформаторы широко используются при измерении тока, напряжения и мощности в электрических сетях с большим напряжением или с большими токами. В этом случае они называются измерительными. Существует много специальных трансформаторов, работающих во всякого рода автоматических установках. Напряжение на их обмотках во многих случаях несинусоидальное.