Электротехника. Трансформаторы

Трансформатор –
это электромагнитный аппарат, который преобразует электрическую энергию переменного тока, имеющую одни величины, в электрическую энергию с другими величинами.
В трансформаторе преобразуются напряжение, ток и начальная фаза.
Неизменной остается частота тока.

Что такое трансформатор?
Трансформатор — это устройство, которое позволяет как повышать, так и понижать напряжение, и преобразовывать переменный ток.
Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им «электрических свечей»

Устройство
Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками.
Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения.
Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.

Простейший трансформатор имеет магнитопровод (сердечник) и обмотки.
По количеству обмоток различают трансформаторы двухобмоточные и многообмоточные.
Обмотка
с количеством витков w1, к зажимам которой подводится напряжение, называется первичной.
На зажимы вторичной обмотки включается потребитель Zн.

Принцип действия
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает электродвижущую силу индукции в каждой обмотке. Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока, и наоборот.

Виды трансформаторов
Силовой трансформатор - трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.

Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.
Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью.
Преимущество автотрансформатора - более высокий КПД, меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Важной характеристикой трансформатора является
коэффициент трансформации,
который в обычном случае определяется как отношение высшего напряжения к низшему в режиме холостого (нерабочего) хода.
Коэффициент трансформации для понижающего трансформатора:
Из этого следует, что трансформатор снижает напряжение и во столько же раз повышает ток (и наоборот)

Нерабочий (холостой) ход
Нерабочим ходом (режимом холостого хода)
называется режим, при котором вторичная цепь трансформатора разомкнута (нагрузка отключена), т.е.
Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода
Уравнение трансформатора в режиме холостого хода:
Полное внутреннее сопротивление первичной обмотки:
Уравнение первичной цепи в окончательном виде:

Режим нагрузки
Режим нагрузки осуществляется,
когда на вторичную обмотку включена нагрузка Zн.
Уравнение первичной цепи:
Внешняя характеристика нагруженного трансформатора
Уравнение вторичной цепи:
В режиме нагрузки вторичное напряжение U2 незначительно зависит от тока нагрузки. Эта зависимость (U2=f(I2)) называется внешней характеристикой

Режим нагрузки

Режим короткого замыкания
Режим короткого замыкания –
это аварийный режим работы трансформатора. В режиме короткого замыкания напряжение первичной обмотки равно номинальному, а сопротивление нагрузки равно нулю.
В аварийном режиме короткого замыкания устанавливаются большие токи короткого замыкания в обмотках. Эти значения так велики, что приводят к выходу из строя обмотки трансформатора.

Реальный, идеализированный и приведенный трансформаторы
Реальный трансформатор имеет обмотки, расположенные на сердечнике. Обмотки имеет как активное сопротивление, так и сопротивление рассеяния, те., кроме основного магнитного потока, пронизывающего обе обмотки, существуют потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток
Идеализированный трансформатор – это трансформатор, в котором отсутствуют магнитные потоки рассеяния, а активные сопротивления обмоток равны нулю. Эти понятия используют для упрощенных исследований процессов
Приведенный трансформатор – эквивалентный реальному трансформатору, у которого коэффициент трансформации равен единице (количество витков вторичной обмотки равно количеству витков первичной обмотки). Для замещения реального трансформатора приведенным нужно выдержать принципы эквивалентности энергетического состояния. Приведенные электрические величины обозначаются штрихами.

Уравнения приведенного трансформатора –
это уравнения электрической цепи с двумя смежными контурами, составленными по законам Кирхгофа.
Уравнение, составленное по первому закону Кирхгофа (для узла электрической цепи):
Уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа, для замкнутого контура с идеальными элементами:
Внутренне сопротивление общего для смежных контуров элемента, индуцирующего ЭДС (обеспечивает протекание в нем тока холостого хода):