Трансформатор – це електромагнітний статичний перетворювач з двома або більше нерухомими обмотками, які перетворюють параметри змінного струму: напругу, струм, частоту, кількість фаз. Можливе також використання трансформаторів для перетворення синусоїдального змінного струму в несинусоїдальний.
Переважне використання в електричних пристроях отримали силові трансформатори, що перетворюють напругу змінного струму при незмінній частоті. Трансформатори для перетворення не тільки напруги змінного струму, але й для частоти, кількості фаз і т.д. називають трансформаторними пристроями спеціального призначення.
Силові трансформатори широко використовуються в енергосистемах при передачі електроенергії від електростанції до споживачів, а також в різноманітних електропристроях для отримання напруги необхідної величини.
В цій главі розглядаються силові трансформатори (для скорочення ми їх будемо називати трансформаторами) невеликої потужності (не більше декількох кіловольт-ампер), що отримали найбільше використання в блоках електроживлення пристроїв автоматики, обчислювальної техніки, в вимірювальних приладах, зв’язку.
Трансформатори поділяються, в залежності від:
– кількості фаз перетворювальної напруги, на однофазні та багатофазні (як правило трифазні);
– кількості обмоток, що належать одній фазі трансформуючої напруги, на двохобмоточні та багатообмоточні;
– методу охолодження, на сухі (з повітряним охолодженням) та масляні (занурені в металічний об’єм, заповнений трансформаторним маслом).
Рис.2.1.1. Електромагнітна схема однофазного двохобмоточного трансформатора
Розглянемо однофазний двохобмоточний трансформатор . Його принцип дії базується на явищі електромагнітної індукції. Однофазний двохобмоточний трансформатор складається з замкненого магнітопроводу та двох обмоток. Одна з обмоток – первинна – підключається до джерела змінного струму з напругою U1 та частотою f (рис.2.1.1). Змінний струм, що проходить по виткам цієї обмотки, створює МРС, яка наводить в магнітопроводі трансформатора змінний магнітний потік Ф. Замкнувшись в магнітопроводі, цей потік зчіплюється з витками обмоток трансформатора і індукується відповідно в первинній w1 та вторинній w2 обмотках ЕРС:
е1 = w1dФ/dt; (2.1.1)
е2 = w2dФ/dt. (2.1.2)
Якщо магнітний потік трансформатора – синусоїдальна функція часу Ф = Фmax sinwt, що змінюється з кутовою частотою w = 2pf, то після підстановки його в (2.1.1) і (2.1.2), диференціювання і перетворення, отримаємо дійсне значення ЕРС первинної та вторинної обмоток:
Е1 = 4,44 fw1Фmax; (2.1.3)
Е2 = 4,44 fw2Фmax. (2.1.4)
В режимі холостого ходу трансформатора, коли струм у вторинній обмотці відсутній (обмотка розімкнена), напруга на виводах вторинної обмотки дорівнює ЕРС вторинної обмотки Е2 = U20, а ЕРС первинної обмотки настільки незначно відрізняється від первинної напруги, що цією різницею можна знехтувати: Е1 » U1.
Відношення ЕРС обмотки вищої напруги (ВН) до ЕРС обмотки нижчої напруги (НН) називають коефіцієнтом трансформації k. Для режиму холостого ходу трансформатора відношення вказаних ЕРС практично дорівнює відношенню напруг:
k = Е1/Е2 = w1/w2 » U1/U20. (2.1.5)
Якщо w2 < w1 та U2 < U1, то трансформатор називається понижувальним. Якщо w2 > w1 та U2 > U1, то трансформатор називається підвищувальним. Один і той же трансформатор в залежності від того, до якої з обмоток підводиться напруга, може бути понижувальним або підвищувальним.
Якщо на виводи вторинної обмотки трансформатора підключити навантаження опором Zн, то в обмотці з’явиться струм навантаження І2. При цьому потужність на виході трансформатора визначається добутком вторинної напруги U2 на струм навантаження І2. З деяким наближенням можна прийняти потужність на вході і виході трансформатора однаковими, тобто U1I1 » U2I2. З цього слідує, що відношення струмів в обмотках трансформатора обернено пропорційне відношенню напруг:
I1/I2 » U2/U1 » 1/k. (2.1.6)
Таким чином, струм в обмотці нижчої напруги більший струму в обмотці вищої напруги в k раз.
Якщо на виводі вторинної обмотки трансформатора підключити навантаження опором rн, то, так як потужності на вході Р1 = І12rн¢ та виході Р2 = І22rн трансформатора приблизно однакові, з рівняння
І12 rн¢ » І22 rн (2.1.7)
визначимо опір навантаження, виміряний на виводах первинної обмотки:
rн¢ » rн І22/I12 » rн k2 , (2.1.8)
тобто він зміниться в k2 раз в порівнянні з опором rн.
Ця властивість трансформаторів використовується в міжкаскадних трансформаторах для узгодження вхідного опору якого-небудь каскаду (блоку) з вихідним опором попереднього каскаду (блоку).
Трансформатор є апаратом змінного струму. Якщо первинну обмотку трансформатора ввімкнути в мережу змінного струму, то магнітний потік в магнітопроводі цього трансформатора виявиться постійним як за величиною, так і за напрямком, тобто dФ/dt = 0. Такий потік не буде індукувати ЕРС в обмотках трансформатора, що вимкне передачу електроенергії з первинної мережі у вторинну. Крім цього, відсутність ЕРС в первинній обмотці трансформатора призведе до виникнення в ній струму недопустимо великої величини, наслідком чого буде вихід з ладу цього трансформатора.
Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики”