Трансформатором называют электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования одной системы переменного тока в другую. Наибольшее применение в электротехнических установках имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют значения переменного напряжения и тока.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из листовой электротехнической стали, и двух обмоток, расположенных на его стержнях (рис. 1). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г с напряжением . К другой обмотке, называемой вторичной, подключен электроприемник, имеющий сопротивление .

Рис.1. Электромагнитная и принципиальная схемы трансформаторов:

а - электромагнитная схема однофазного трансформатора; б – принципиальная схема однофазного трансформатора; в – принципиальная схема трехфазного трансформатора, обмотки которого соединены в звезду; г – условное графическое обозначение трехфазного трансформатора

Первичная и вторичная обмотки не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены обмотки, служит для усиления индуктивной связи между ними.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в ее витках будет протекать переменный ток , который создает переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции

,                                                                                       (1)

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции

,                                                                                      (2)

где -число витков в первичной и вторичной обмотках.

При подключении нагрузки  к выводам вторичной обмотки под действием ЭДС  создается ток  и на ее выводах устанавливается напряжение . В повышающих трансформаторах  , а в понижающих .

Из выражений (1) и (2) видно, что ЭДС  и  отличаются друг от друга из-за разного числа витков  и , поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений. Отношение ЭДС обмоток, равное отношению числа их витков называется коэффициентом трансформации

.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, - обмоткой низшего напряжения (НН).

На рис. 1б показано изображение однофазного трансформатора на принципиальных электрических схемах, а на рис. 1в и г приведена принципиальная схема трехфазного трансформатора и его условное графическое обозначение.

Трансформаторы обладают свойством обратимости, один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо - понижающий.

Трансформатор - это аппарат переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению , поэтому в обмотках не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

Силовой трансформатор состоит из следующих элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с размещенными на его стержнях обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора являются неактивными (вспомогательными) частями.

Магнитопровод. Магнитопровод (рис.2) выполняет две функции:

· образует магнитную цепь, по которой замыкается поток Ф;

· является основой для крепления обмоток.

Магнитопровод состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующим лаком. Такая конструкция обеспечивает ослабление вихревых токов, наводимых в магнитопроводе переменным магнитным потоком, и следовательно, снижение потерь энергии в трансформаторе.

Рис.2. Магнитопровод трехфазного трехстержневого трансформатора:

1-стержни; 2 –верхнее ярмо; 3 – нижнее ярмо обмотки.

Обмотки силовых трансформаторов выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы, обеспечивающие механическую и электрическую прочность.

Обмотки силовых трансформаторов выполняют, как правило, в виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню обычно располагают обмотку НН (требующую меньшей изоляции от стержня), а снаружи—обмотку ВН.

Обмотки разделяют на несколько типов:

1. Цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки из провода прямоугольного сечения (рис. 3а) используют главным образом в качестве обмоток НН на номинальный ток до 800 А.

2. Винтовые одно- и многоходовые обмотки выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения. При этом витки укладывают по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов (рис. 3б).

3. Непрерывные обмотки (рис. 3в) состоят из отдельных секций, намотанных по спирали и соединенных между собой без пайки. Непрерывные обмотки получили наибольшее применение, что объясняется их большой механической прочностью и надежностью.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рис.4). Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3 и магнитопровод 1, отбирает от них теплоту и, обладая высокой теплопроводностью, через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом применяют расширитель 9, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним. Колебания уровня масла с изменением его температуры происходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сообщающемся с атмосферой.

Рис. 3. Конструкция концентрических обмоток

Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 7 и 8. В масляных трансформаторах для вводов обычно используют проходные фарфоровые изоляторы. Такой ввод снабжен металлическим фланцем, посредством которого он крепится к крышке бака. К дну бака прикреплена тележка, позволяющая перемещать трансформатор в пределах подстанции. На крышке бака расположена рукоятка переключателя 6, с помощью которого можно изменять коэффициент трансформации. Это бывает необходимо делать для регулирования напряжения в электрической сети.

Потери и КПД трансформатора. В процессе трансформирования электрической энергии часть ее теряется в трансформаторе. Потери в трансформаторе разделяются на электрические и магнитные.

Рис. 4. Устройство трансформатора с масляным охлаждением:

1 - магнитопровод; 2,3 - обмотки; 4 – бак; 5 – трубы радиатора; 6 – регулятор напряжения; 7,8 – вводы низкого и высокого напряжений

Электрические (нагрузочные) потери обусловлены нагревом обмоток трансформаторов при прохождении по ним электрического тока. Мощность электрических потерь пропорциональна квадрату тока и определяется суммой потерь в первичной и вторичной обмотках.

Нагрузочные потери определяются по выражению:

,                                                                                   

где - паспортный параметр трансформатора, называемый потерями короткого замыкания; S-мощность, передаваемая через трансформатор; - номинальная мощность трансформатора.

Электрические потери называют переменными, так как их величина зависит от нагрузки S трансформатора.

Магнитные потери возникают в магнитопроводе трансформатора. Их причина - систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Перемагничивание вызывает два вида магнитных потерь: потери от гистерезиса, связанные с затратой энергии на уничтожение остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитопровода, и потери от вихревых токов, наводимых переменным магнитным полем в пластинах магнитопровода.

С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора выполняют из магнитно-мягкого ферромагнитного материала — тонколистовой электротехнической стали. При этом магнитопровод делают шихтованным в виде пакетов из тонких пластин, изолированных с двух сторон тонкой пленкой лака.

При неизменном первичном напряжении магнитные потери, называемые иначе потерями холостого хода  постоянны, т. е. не зависят от нагрузки трансформатора.

Суммарные потери в трансформаторе определяются по формуле:

.                                                                     (3)

На рис.5 показаны зависимости электрических, магнитных и суммарных потерь в трансформаторе от его нагрузки S.

Рис.5. Зависимость потерь в трансформаторе от его нагрузки

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется как отношение активной мощности  вторичной обмотки (полезная мощность) к активной мощности  первичной обмотки (подводимая мощность):

       ,

где - определяется по формуле (3).

Активную мощность вторичной обмотки можно найти по выражению:

,

где -линейные значения напряжения и тока; - коэффициент мощности; -мощность вторичной обмотки.

Учитывая, что , можно получить выражение для расчета КПД трансформатора:

.                                       (4)

Анализ формулы (4) показывает, что КПД трансформатора зависит от коэффициента его загрузки  и от характера ( ) нагрузки. Эти зависимости иллюстрируются графиками, приведенными на рис.6.

Экономия электроэнергии в трансформаторах. На подстанциях могут устанавливаться несколько трансформаторов, работающих параллельно. В этом случае суммарные потери в них определяются по формуле:

,                                                                            (5)

где n –число параллельно работающих трансформаторов.

Экономия электроэнергии за счет снижения потерь может быть достигнута параллельным включением трансформаторов при увеличении нагрузки. На рис.7 показаны зависимости потерь активной мощности в одном и двух параллельно работающих трансформаторах от их нагрузки S. Так как потери мощности в одном трансформаторе согласно (5) равны

,                                                                                (6)

а в двух параллельно включенных трансформаторах

                                                                            (7)

то равенство  будет иметь место при нагрузке, равной

.                                                                                               (8)

Рис.6. Зависимость КПД трансформатора от нагрузки

Рис.7. Экономия электроэнергии в трансформаторах