Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то (при разомкнутой вторичной обмотке) по ней будет протекать переменный ток I 0 (ток холостого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктировать в этой обмотке э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис. 101 — лампы накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. E 2 по этой обмотке и через приемник энергии будет протекать ток I 2. Одновременно увеличится ток первичной обмотки I 1. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.
Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе.
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собираются из тонких пластин (толщиной 0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком). Трансформаторная сталь может быть как горячекатаной, так и холоднокатаной.
Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше, чем у горячекатаной) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как поперек проката магнитная проницаемость ее относительно низкая. Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные потоки замыкались по направлению проката стали. В качестве материала для магнитопроводов трансформаторов малой мощности служит лента холоднокатаной стали.
В настоящее время ленточные разрезные магнитопроводы трансформаторов изготовляют следующим образом: половину магнитопроводов делают из полос холоднокатаной стали различной длины так, что полосы укладываются в пакет ступенями. В специальных формах пакеты на прессе выгибают (делают верхнюю и нижнюю половины магнитопровода) и отжигают для снятия остаточных механических напряжений. После пропитки в клеящем составе (для склейки отдельных листов) половины магнитопроводов подвергают механической обработке (для фрезеровки стыков) и направляют на сборку.
При сборке трансформатора обмотки устанавливают на магнитопроводе и половины магнитопроводов (верхняя и нижняя) составляют и стягивают, причем предварительно места стыков покрывают специальным клеящим составом.
В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собирают из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением прокатки стали. У горячекатаной стали магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собираются из пластин Ш - или П - образной формы, которые штампуются из листовой стали.
В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки (рис. 102, а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается через сталь. Магнитопровод броневого однофазного трансформатора (рис. 102, б) имеет один стержень, на котором полностью размещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена сердечником от механических повреждений.
Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали, так же как и из горячекатаной стали, могут быть стержневыми (рис. 102, в) или броневыми (рис. 102, г).
Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, так как у них проще изоляция обмоток высшего напряжения от сердечника, чем в броневых. В трансформаторах малой мощности напряжения обмоток малы, а поэтому изоляция их от сердечника значительно упрощается. Поэтому трансформаторы малой мощности часто изготовляют с броневым магнитопроводом, который имеет только один комплект с двумя обмотками, тогда как у стержневого — два комплекта.
Магнитный поток в броневом магнитопроводе, выходя из стержня, разветвляется на две равные части так, что магнитный поток, замыкающийся через ярмо, вдвое меньше, чем в стержне, вследствие чего сечение ярма делают вдвое меньшим, чем сечение стержня.
Часто выполняют сердечники трансформаторов с уширенным ярмом, в которых поперечное сечение ярма больше поперечного сечения стержня. Это дает возможность уменьшить магнитную индукцию в ярме, снижает потери в стали и уменьшает потребление трансформаторами реактивных намагничивающих токов из сети.
Обмоткам трансформатора придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. Обмотки такой формы лучше противостоят радиальным электродинамическим усилиям, возникающим при работе трансформатора. В некоторых случаях применяют катушки более сложной формы — прямоугольные, овальные и др. При малых токах обмотки делают из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения. При больших токах применяют провод прямоугольного поперечного сечения, наматываемый в одну или несколько параллелей.
Расположение цилиндрических обмоток показано на рис. 103. Ближе к стержню магнитопровода помещается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотка низшего напряжения изолируется от магнитопровода прокладками, рейками, шайбами из какого-либо изоляционного материала (чаще из электрокартона). Обмотка высшего напряжения также изолируется от обмотки низшего напряжения.
В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность, номинальное напряжение и токи первичной и вторичной об моток при полной(номинальтной) нагрузке.
Номинальной мощность трансформаторов называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной номинальной нагрузке. Номинальная мощность выражается в единицах полной мощности, т.е. в вотльметрах или киловольтамперах. В ваттах и киловаттах измеряют активную мощность трансформатора, т.е ту мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую,химическую,световую.
Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электрического аппарата определяется не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, проходящим по проводнику, и, следовательно, полной мощностью.
Трансформаторы малой мощности имеют большую удельную поверхность охлаждения, и естественное воздушное охлаждение является для них вполне достаточным.
Трансформаторы большей мощности устраивают с масляным охлаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом. Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора.
Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы.
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность. Необходимо контролировать температуру масла, заменять его новым, производить периодическую сушку и очистку.
Для обеспечения нормальной эксплуатации трансформатора