Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис.1), размещенных на замкнутом магнитопроводе из ферромагнитного материала, состоящем из пластин (для уменьшения воздействия вихревых токов). Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока — электрической сети с напряжением u1. Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки ZH.
Рис.1. Электромагнитная система однофазного трансформатора: 1,2 — первичная и вторичная обмотки; 3 — магнитопровод.
Первичную и вторичную обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой. При этом на каждом стержне магнитопровода размещают обе обмотки либо концентрически – одну поверх другой, либо в виде нескольких дисковых катушек, чередующиеся по высоте стержня. В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором – чередующимися. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причём ближе к стержням располагают обмотку НН, требующей меньшей изоляции относительно магнитопровода трансформатора, а снаружи – обмотку ВН.
Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН — буквами а и х.
Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения, то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в магнитопроводе переменный магнитным поток Ф. Этот магнитный поток, сцепленный как с одной, так и с другой обмоткой, изменяясь, будет индуктировать в обмотках ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то значения индуктируемых в них ЭДС будут неодинаковы. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуктируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков.
Индуктируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. К вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. При подключении нагрузки в этой обмотке под действием индуктированной в ней ЭДС возникнет ток I 2, а на ее выводах установится напряжение U 2, которые будут отличаться от тока I 1 и напряжения U 1, первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке из электрической сети электрическая энергия с напряжением U 2 и током I 1 преобразуется в электрическую энергию с напряжением U 2 и током I 2).
U1→ I1→ I1w1→ Ф → ε2→ I2
Для первичной обмотки характерно явление самоиндукции, для вторичной – взаимоиндукции. Когда вторая обмотка подсоединяется к клеммам потребителей, они получают электроэнергию, полученную в результате изменений магнитного потока обеих обмоток.
Таким образом, принцип действия однофазного трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции и позволяет передавать энергию от источника к потребителю без соединения обмоток между собой проводниками.
Отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением
E1 / E2 = e1 / e2 = w1 / w2
Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3-5 % от номинальных значений U1 и U2, и считать E1≈U1 и E2≈U2, то получим
U1 / U2 ≈ w1 / w2
Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U 1 можно получить желаемое напряжение U 2. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w2 берут больше числа w1; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U 2, то число витков w2 берут меньшим w1; такой трансформатор называют понижающим,
Отношение ЭДС Е ВН обмотки высшего напряжения к ЭДС Е НН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации
| k = Е ВН/ Е НН = w ВН/ w Н |
Коэффициент k всегда больше единицы.
В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остаётся приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, полная мощность потребляемая из сети
S1 = U1 I1,
практически полностью выделяется на нагрузке
S1 = U1 I1 ≈ S2 = U2 I2.
Отсюда следуют соотношения между токами и напряжениями на первичной и вторичной обмотках:
При уменьшении вторичного напряжения в n раз по сравнению с первичным, ток i2 во вторичной обмотке соответственно увеличится в n раз.
Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а, следовательно, не передаётся электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E1 в первичной обмотке ток I1 = U1 / R1 весьма большой. Этот ток может вызвать недопустимый нагрев обмотки и даже ее перегорание.
Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать сопротивление нагрузки. Если к источнику переменного тока подключить нагрузку с сопротивлением R через трансформатор с коэффициентом трансформации n, то для цепи источника
,
где: Р1 – мощность, потребляемая трансформатором от источника переменного тока,Вт;
– мощность, потребляемая нагрузкой с сопротивлением R от трансформатора.
Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления нагрузки R в n2 раз. Это свойство широко используется при разработке электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.