Для упрощения понимания процессов, наблюдаемых в трансформаторе, рассмотрим принцип его действия на примере идеализированного трансформатора, у которого отсутствует магнитное поле рассеяния и имеется только один рабочий магнитный поток Ф. Конструктивно такой трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода, собранного из листовой стали, на который помещены две электрически изолированные обмотки с числом витков W1 и W2 (рисунок 1).
Рисунок 1 – Принцип работы трансформатора
В идеализированном трансформаторе сопротивление обмоток r1 и r2 равны нулю.
Протекающий по первичной обмотке переменный ток I1 вызывает появление в магнитопроводе переменного магнитного потока ФСТ1 (определяется по правилу правой руки). Этот поток сцеплен с обеими обмотками и вызывает в каждой из них переменную ЭДС, которая определятся по формуле
где е – переменная э.д.с., возникающая в обмотке трансформатора; W – число витков изолированной обмотки; Ф – переменный магнитный поток, возникающий в магнитопроводе.
Согласно второму закону Кирхгофа, для первичной цепи идеализированного трансформатора имеем
U1+e1 = 0, откуда
Таким образом, в идеализированном трансформаторе напряжение, приложенное к первичной обмотке, уравновешивается только индуцированной в этой обмотке э.д.с. Наведённая во вторичной обмотке э.д.с. е2 численно равна напряжению на сопротивлении нагрузки (U2 = e2), т.к. r2 = 0.
Отношение э.д.с. вторичной обмотки к первичной или отношение числа их витков называется коэффициентом трансформации, который для идеализированного трансформатора определяется выражением
В идеализированном трансформаторе первичное напряжение u1 отличается от вторичного напряжения U1 в k раз независимо от нагрузки. Причём повышение или понижение напряжения происходит без искажения формы кривой, соответствующей первичному напряжению.
Рассмотрим режим холостого хода трансформатора, когда первичная обмотка присоединена к сети переменного тока I1, а цепь вторичной обмотки разомкнута (ключ рисунке 1 разомкнут) и ток I2=0. Если при холостом ходе первичное напряжение U1 синусоидальное, то изменение магнитного потока в магнитопроводе идеализированного трансформатора также синусоидальное и его значение определяется приложенным напряжением U1:
Следовательно, рабочий магнитный поток Ф идеализированного трансформатора изменяется синусоидально и отстаёт по фазе на угол π/2 от приложенного напряжения U1.
Если приложенное к трансформатору напряжение U1 не изменяется, то магнитный поток Фm в магнитопроводе трансформатора постоянен. Если первичное напряжение U1 при нагрузке идеализированного трансформатора остаётся неизменным, то действующее значение ЭДС первичной обмотки будет таким же, как и при холостом ходе.
Рассмотрим работу трансформатора под нагрузкой.
Если к трансформатору подвести переменное напряжение U1, а затем подключить нагрузку Rн (ключ на рисунке 1 замкнут), то во вторичной цепи возникает ток I2. Магнитодействующая сила этого тока возбуждает в сердечнике трансформатора некоторый магнитный поток Фст2, противоположный по фазе потоку первичной обмотки Фст1.
В трансформаторе можно выделить три магнитных потока:
- Основной магнитный поток Ф = Фст1 – Фст2, сцепленный как с первичной, так и со вторичной обмотками;
- Поток рассеяния первичной обмотки Фб1;
- Поток рассеяния вторичной обмотки Фб2.
Исходя из того, что первичная обмотка является потребителем электрической энергии, а вторичная обмотка – источником электрической энергии, используя второй закон Кирхгофа, можно доказать, что изменения основного магнитного потока Ф не зависят от величины нагрузки трансформатора. Изменение равно разности намагничивающих сил его обмоток, т.е. практически равно намагничивающей силе холостого хода этого трансформатора:
Разделив все члены этого равенства на W1, имеем
Перепишем данное выражение через I1, используя составляющую тока вторичной обмотки I21: I1=I0+I21
Из полученного выражения следует, что ток первичной обмотки равен сумме тока холостого хода I0 и составляющей тока вторичной обмотки I21, которая уравновешивает размагничивающее действие вторичного тока и называется приведенным вторичным током.
С учетом того, что I0<<I1, можно записать I1≈I21≈kI2. Тогда выражение для коэффициента трансформации k будет иметь вид
Из этого выражения следует, что при работе трансформатора под нагрузкой коэффициент трансформации определяется через токи обмоток. Таким образом, коэффициент трансформации можно определить следующим образом: во-первых, зная число витков в обмотках; во-вторых, по отношению напряжений в обмотках в режиме холостого хода; в-третьих, через токи обмоток при работе трансформатора под нагрузкой. Т.е.
Проанализировав выражение для определения коэффициента трансформации, можно сделать вывод о том, что трансформатор не является усилителем, т. е. он не усиливает входной сигнал по мощности. Если трансформатор является повышающим и, например, напряжение вторичной обмотки U2 увеличилось в три раза, то ток вторичной обмотки I2 уменьшиться в три раза. В результате мощность не изменится. Трансформаторы только преобразуют электрическую энергию переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию переменного тока с другими параметрами.
Энергию трехфазного тока можно трансформировать тремя однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмотки которых соединены между собой по одной из трехфазных схем (групповой трансформатор, рисунок 2,а) или трехфазным трансформатором (рисунок 2, б).
Рисунок 2 – Устройство трехфазного трансформатора
Трехфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми с расположением стержней в одной плоскости. На каждом стержне такого трансформатора размещаются обмотки низшего и высшего напряжения одной фазы. Стержни соединяются между собой ярмом сверху и снизу.
Недостатком трёхфазного трансформатора является несимметрия токов холостого хода фаз, обусловленная несимметрией магнитных сопротивлений. Это обусловлено тем, что длина магнитных линий потока среднего стержня меньше, чем крайних, поэтому в фазе, обмотка которой помещена на среднем стержне, протекает меньший намагничивающий ток. Для уменьшения намагничивающих токов и их несимметрии поперечное сечение ярма часто делают несколько большим (примерно на 20 %) поперечного сечения стержня.
Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняются так же, как и однофазных.
Начала фаз обмоток высшего напряжения (ВН) обозначают прописными латинскими буквами А, В и С, а концы фаз обмоток буквами X, Y и Z. Если обмотка ВН имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначают 0. Начала фаз обмоток низшего напряжения обозначают строчными латинскими буквами a, b, с, концы фаз – х, у, z, вывод нулевой точки – 0.
Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов показаны на рисунке 3.
Рисунок 3 – Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов: звезда (а), треугольник (б), зигзаг (в)
Схемы соединения обмоток трехфазного трансформатора обозначают в виде дроби, в числителе которой ставят обозначение схемы соединения обмотки высшего напряжения, а в знаменателе – обмотки низшего напряжения (Y/Δ; Y/Y; Δ/Δ).
Схема соединения обмоток трехфазного трансформатора звезда-звезда (Y/Y) показана на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема соединения обмоток трехфазного трансформатора звезда-звезда (Y/Y)
В трехфазных трансформаторах используются линейные и фазные напряжения.
Фазные напряжения – это напряжения в одной фазе: UА, UB, UC.
Линейные напряжения – это напряжения между двумя фазами: UАB, UBC, UCА.
В стандартном исполнении обмотки трехфазных трансформаторов соединяют Y/Δ, т. к. в звезде фазная ЭДС в √3 раз меньше, чем в треугольнике, поэтому меньше витков и проще изоляция обмотки высшего напряжения. Вторичная обмотка соединяется «треугольником», что позволяет уменьшить влияние изменения нагрузки.
При соединении звездой фазное напряжение в √3 раз меньше линейного, а фазный ток равен линейному. При соединении обмоток треугольником фазное напряжение равно линейному, а фазный ток в √3 раз меньше линейного.
Следует иметь в виду, что коэффициент трансформации линейных напряжений будет зависеть от схемы включения обмоток.