Тема 1.16 Принцип работы и область применения трансформаторов
Общие сведения о трансформаторах
Трансформатор - электромагнитное устройство, преобразующее переменные напряжения одной частоты.
Назначение трансформаторов разнообразно.
1. Передача и распределение электрической энергии.
Электростанции вырабатывают электрическую энергию напряжением 6-24 кВ, что недостаточно для передачи энергопотока на большие расстояния. Повышающие силовые трансформаторы поднимают уровень напряжения в высоковольтных линиях передач до 110-500 кВ. Потребление электроэнергии осуществляется напряжением 10-0,4 кВ после преобразования в понижающих силовых трансформаторах.
2. Технологические цели - сварочные или электропечные трансформаторы.
3. Питание электронной аппаратурыи электробытовых приборов.
4. Э лектроизмерительные трансформаторы тока и напряжения.
Трансформаторы различают по числу фаз (однофазные, трехфазные), числу обмоток (двухобмоточные, многообмоточные), по способу охлаждения (масляные, сухие).
Однофазный трансформатор состоит из двух обмоток, размещенных на ферромагнитном замкнутом сердечнике.
Первичная обмотка подключается к электрической сети с напряжением 
, вторичная обмотка - к нагрузке с сопротивлением 
.
Переменный ток 
первичной обмотки создает переменный магнитный поток 
, замыкающийся по магнитопроводу. Поток индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – 
и 
, пропорциональные числу витков обмоток 
и 
и скорости изменения потока 
.
; 
.
.
Если пренебречь сопротивлением обмоток трансформатора, то получим
,
где 
- коэффициент трансформации.
У повышающего трансформатора 
, у понижающего 
.
В трансформаторе преобразуются напряжения и токи, мощность остаётся приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе).
, отсюда
.
В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на стержневые (а), броневые (б) и тороидальные (в).
Часть магнитопровода, на которой размещены обмотки, называют стрежнем, а свободную часть - ярмом.
Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу по сравнению с броневыми.
Трансформаторы малой мощности выполняют броневыми, более дешевыми из-за меньшего числа катушек, упрощения сборки и изготовления.
Рабочий процесс трансформатора
При эксплуатации трансформаторов необходим контроль режимов их работы.
Режимы трансформатора: номинальный, рабочий, холостого хода, короткого замыкания.
Номинальный режим - работа трансформатора при стандартных напряжениях, токе, мощности и температуре охлаждающей среды +20°С. Срок эксплуатации в данном режиме не менее 25 лет.
Трансформатор тока, шинный, в пластмассовом корпусе. Номинальное напряжение 0,66 кВ; номинальный первичный ток 600 А; номинальный вторичный ток 5 А; УЗ – климатическое исполнение.
Рабочим режим - работа трансформатора с допустимыми отклонениями параметров от стандартных значений (например, при 
, 
).
Режим холостого хода - работа трансформатора без нагрузки.
Режим необходим для определения:
· коэффициента трансформации 
;
· тока холостого хода 
;
· магнитных потерь 
;
· 
коэффициента мощности при холостом ходе 
Режим короткого замыкания – работа трансформатора при короткозамкнутой вторичной обмотке.
Режим необходим для определения:
· напряжения короткого замыкания 
;
· электрических потерь 
.
Режим создаётся при пониженном напряжении на первичной обмотке.
При трансформации часть энергии теряется. Различают электрические и магнитные потери энергии.
Магнитные потери – это потери от гистерезиса и вихревых токов в пластинах магнитопровода.
С целью уменьшения потерь магнитопровод выполняют из наборных пластин магнито-мягкого материала.
Магнитные потери постоянны, не зависят от нагрузки трансформатора.
Электрические потери – это потери от нагрева обмоток трансформатора токами.
,где 
- мощность, передаваемая через трансформатор.
Электрические потери являются переменными, так как их величина зависит от нагрузки трансформатора.
Суммарные потери в трансформаторе равны:
.
Коэффициент полезного действия трансформатора
Активную мощность вторичной обмотки можно найти по выражению:
.
Зависимость 
или 
называют внешней характеристикой трансформатора.
- коэффициент загрузки трансформатора.
При колебаниях нагрузки от 
до 
напряжение на выходе трансформатора изменяется лишь на несколько процентов 
,
Коэффициент полезного действия трансформатора равен
,
Задаваясь значениями β, строят графическую зависимость 
КПД силовых трансформаторов достигает максимального значения при коэффициенте загрузки 
.КПД современных силовых трансформаторов находится в пределах 
.
Домашнее задание
Евдокимов Ф.Е. Общая электротехника, стр. 164-186.
Самостоятельная работа № 16. Электронная презентация о типах трансформаторов (трехфазных, измерительных, автотрансформаторах) и их применении.