Трансформаторы
Дополнительно по теме
Трансформатор без стального магнитопровода (воздушный трансформатор)
Простейшие приближенные эквивалентные схемы трансформатора со стальным магнитопроводом
Расчеты электрических цепей с трансформаторами
Потеря напряжения в трансформаторе
Трансформатор
Нередко один и тот же источник переменного тока должен питать приборы, рассчитанные на разные напряжения.
Трансформатором называется электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
Трансформаторы делятся по назначению: силовые, специальные, измерительные и радиотехнические. К силовым относятся трансформаторы, преобразующие электрическую энергию для потребителей (35/6, 110/6, 6/0,4 кВ и т.д.), к специальным - сварочные и выпрямительные, к измерительным - трансформаторы тока и напряжения, служащие для подключения электроизмерительных приборов, к радиотехническим - маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на повышенной частоте. Кроме этого, они делятся по роду тока на однофазные и трехфазные и по способу охлаждения - на масляные, сухие и с твердым наполнителем.
Трансформатор состоит из двух основных частей - магнитопровода и обмоток. Магнитопровод набирается из тонких листов электротехнической стали с малой коэрцитивной силой, изолированных друг от друга. Часть магнитопровода, на котором располагается обмотка, называется стержнем, а часть, замыкающая стержни, ярмом. По своему устройству магнитопровод подразделяется на П-образный и Ш-образный.
Обмотка трансформатора наматывается изолированным проводом с дополнительной изоляцией между слоями. Обмотка трансформатора с большим числом витков называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с меньшим - низшего напряжения (НН).
Работа трансформатора
Принцип работы трансформатора рассмотрим на примере однофазного трансформатора, схематически представляющего собой магнитопровод с двумя обмотками W1 и W2.
При подключении первичной обмотки к источнику синусоидального напряжения 
по обмотке течет ток 
, создающий намагничивающую силу 
под действием которой возникает магнитный поток 
.
По закону электромагнитной индукции во вторичной цепи индуцируется электродвижущая сила:
ЭДС отстает от магнитного потока на угол 90°, а 
Действующее значение 
где
f - частота сети;
Аналогичная ЭДС возникает и в первичной обмотке, так как магнитный поток пронизывает витки и первичной обмотки. Поэтому отношение Е1/Е2 будет определять коэффициент трансформации по напряжению: если Ктр>1, Е1>Е2 -трансформатор понижающий;Ктр<1, Е1<Е2 - повышающий; Ктр=1, Е1=Е2 - разделительный.
Из выше сказанного следует, что индуцированные э. д. с. пропорциональны числу витков в обмотках:
Режимы работы трансформатора
В работе трансформатора можно выделить три режима: холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута, короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута накоротко, и рабочий режим под нагрузкой.
В режиме холостого хода I2=0, U2хх=Е2, ток в первичной обмотке I10=U1/Z10, сопротивление Z10= R10+jХ10. Ток I10 составляет 3-10% номинального (рабочего) тока трансформатора I1н.
Ввиду малости первичного тока потери мощности в первичной катушке составляют не более одного процента от номинальной мощности трансформатора и их можно принять равными нулю так же, как и во вторичной Р10 -> 0, Р2=0. В режиме холостого хода потери мощности наблюдаются только в магнитопроводе и связаны с перемагничиванием и вихревыми токами, определяемыми магнитным материалом Р10= Pст.
Если первичное напряжение не изменяется, то потери в стали постоянны и пропорциональны значению магнитной индукции В в степени угла магнитного запаздывания -
. Значение угла составляет 5-10 электрических градусов.
В этом случае 
; I10R1 и I10X1<<Е1 тогда параметры холостого хода определяют параметры магнитной системы:
Векторная диаграмма в режиме холостого хода может быть построена на основании уравнения для первичной обмотки:
Режим короткого замыкания для трансформатора является аварийным, так как при U2=0 и Zн=0 ток в первичной обмотке будет в 15-20 раз больше тока номинального рабочего режима. Поэтому опыт короткого замыкания производят только с целью определения параметров первичной и вторичной обмоток при U1к <<U1н. Опыт производят при условии I2к =I2н тогда I1к= I1н и U1к<<U1н. Напряжение короткого замыкания для первичной обмотки задается в паспортных данных трансформатора в процентах от номинального напряжения U1к=(U1к\U1н)100% и составляет примерно 5% для трансформаторов с масляным охлаждением и 2-2,5 % для трансформаторов с воздушным охлаждением.
Так как напряжение короткого замыкания в первичной обмотке во много раз меньше номинального, то
и 
Потери в стали будут стремиться к нулю.
Мощность при коротком замыкании рассеивается только в обмотках трансформатора и идет на нагрев меди в них т. е. мощность потерь на джоулеву теплоту в обмотках,
Общее сопротивление короткого замыкания Zк.з. определится из отношения U1к=I1нRк.з.=Рк.з./I1н;
Векторная диаграмма трансформатора в режиме короткого замыкания имеет вид в соответствии с уравнением:
Для составления схемы замещения и удобства расчета рабочих режимов используют метод приведения параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Тогда W1=W'2, где W'2 - число витков обмотки приведенного трансформатора; W'2= KтрW2; Е'2=Е2Ктр; U'2=U2Ктр.
Условием приведения является постоянство энергетических характеристик (мощности и потерь) S2=S'2 и Рм2=Р'м2. Тогда I'2=I2(1/Ктр); 
.
При замыкании вторичной обмотки на активную нагрузку в этой обмотке возникнет ток; обозначим I2 его действующее значение; напряжение на зажимах обмотки станет равным U2, а сдвиг фаз - cosj. По закону Ленца ток во вторичной обмотке противодействует изменению магнитного потока в сердечнике. В результате этого индуктивное сопротивление первичной обмотки уменьшится, а ток в первичной обмотке будет возрастать до тех пор, пока не восстановится начальное значение магнитного потока. Действующее значение тока в первичной обмотке нагруженного трансформатора больше тока холостого хода: I1>Iхх
По закону сохранения энергии
Р2-мощность, потребляемая со вторичной обмотки;
P1-мощность, потребляемая из сети первичной обмоткой.
Для расчетов режимов работы трансформатора используют Т-образную (рис. а) и Г-образную (рис. б) схемы замещения.
Уравнения цепи для Т-схемы имеют вид:
Схемы замещения трансформатора
Рабочие свойства трансформатора в нагрузочном режиме характеризуются зависимостями вторичного напряжения U2 от тока во вторичной обмотке I2 и КПД от коэффициента загрузки b.
Зависимость напряжения от тока называется нагрузочной или внешней характеристикой. Кривая 1 соответствует режиму емкостной нагрузки, cosj < 1, кривая 2 - активной нагрузке, cosj= 0, кривая 3 -индуктивной нагрузке, cosj < 1. Максимальный коэффициент полезного действия трансформатора составляет 0,98 и находится из соотношения полезной мощности на нагрузке к мощности, потребляемой из сети (смотри выше):
где b=I2/I2н - коэффициент загрузки трансформатора; S -полная мощность трансформатора.
Из рабочих характеристик трансформатора видно, что потери в стали Рст не зависят от нагрузки и являются постоянными. Потери в меди Рм обмоток растут и изменяются по нелинейному закону. Коэффициент полезного действия имеет максимальное значение при равенстве указанных потерь и коэффициенте загрузки, равном 0,6.
На практике часто применяют автотрансформатор, у которого часть обмотки принадлежит одновременно двум цепям: первичной и вторичной. Он предназначен для плавного изменения вторичного напряжения.
Дополнительно по теме
Текущий ремонт трансформаторов ТМ
Трансформаторы силовые типа ТМ(Г) и ТМПН(Г) ОАО "ЭЛЕКТРОЩИТ"
Трансформаторы ТМГ11 и ТМГСУ11
Параллельная работа трансформаторов
Потеря напряжения в трансформаторе