Трансформатором называется статический индуктивный преобразователь, имеющий две или больше индуктивно связанных взаимно неподвижных обмоток и предназначенный для преобразования по средством электромагнитной индукции параметров электрической энергии переменного тока (напряжения, тока, частоты, числа фаз).
Электрическая энергия переменного тока подводится к первичной обмотке трансформатора от сети с числом фаз тх, фазным напряжением С/, и частотой /, и передается во вторичную обмотку с числом фаз т2, фазным напряжением U2 и частотой f2 посредством магнитного поля. В большинстве случаев при помощи трансформатора преобразуются только напряжения U2 * Ux и токи 12 ф 1х без изменения частоты и числа фаз.
Обычно электрическое соединение между первичной и вторичной обмотками в трансформаторе отсутствует и энергия из одной обмотки в другую передается только за счет магнитной связи между ними.
Трансформатор, имеющий две однофазные или многофазные электрически не связанные между собой обмотки (рис. 1.1, а или 1.2), называется двухобмоточным; трансформатор, имеющий три или более (рис. 1.1,6) электрически не связанные обмотки — трехобмоточным или многообмоточным.
Особой разновидностью трансформатора является автотрансформатор, в котором часть энергии из первичной сети передается во вторичную электрическим путем за счет электрической связи между обмотками.
Однофазная или многофазная обмотка, потребляющая энергию из сети, называется первичной. При направлениях преобразования энергии, показанных на рис. 1.1 и 1.2, обмотки 1 — первичные.
Обмотка, отдающая энергию в сеть, называется вторичной (обмотки 2 и 5 на рис. 1.1, обмотка 2 на рис. 1.2). Многообмоточный трансформатор может иметь несколько первичных и вторичных обмоток (трансформатор по рис. 1.1,6 имеет две вторичные обмотки 2 и 3).
Рис. 1.1. Однофазные двухобмоточный (а) и трехобмоточный (б) трансформаторы:
1 — первичная обмотка; 2, 3 — вторичные обмотки; 4 — магнитопровод
Многофазные обмотки образуются из соединенных звездой или многоугольником фазных обмоток, число которых равно числу фаз сети. Каждая из фазных обмоток представляет собой многовитковую катушку, располагающуюся на отдельном стержне магнитопровода.
В зависимости от числа фаз различают однофазные (рис. 1.1, а, б), трехфазные (рис. 1.2) и многофазные трансформаторы.
Трансформатор как преобразователь электрической энергии находит широкое применение. При помощи трансформаторов производится передача электрической энергии от электрических станций к потребителям. При этой передаче напряжение должно многократно изменяться. Поэтому суммарная установленная мощность трансформаторов в современных электрических системах в 5—7 раз превышает установленную мощность электрических генераторов.
Рис. 1.2. Трехфазный двухобмоточный трансформатор:
1 — катушки первичной трехфазной обмотки, соединенной звездой; 2 — катушки вторичной трехфазной обмотки, соединенной звездой; 3 — магнитопровод
Наряду с трансформаторами и автотрансформаторами, используемыми в электрических системах и называемых силовыми, широкое распространение получили трансформаторы, предназначенные для преобразований числа фаз и частоты. В разнообразных промышленных установках, в устройствах связи, радио, телевидения, автоматических системах регулирования и управления и в измерительной технике применяются специальные типы трансформаторов.
Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент трансформаторов мощностью от долей вольт-ампера до нескольких сотен мегавольт-ампер; на напряжения от долей вольта до сотен киловольт; на токи до нескольких десятков килоампер; на частоты до сотен тысяч герц, а также ряд специальных трансформаторов (импульсных, с регулируемым напряжением, со стабилизированным напряжением и др.
Трансформаторы изготовляются по техническим условиям или в соответствии с требованиями стандартов и предназначаются изготовителем для выполнения вполне определенных функций по преобразованию электрической энергии.
Частота, токи, напряжения, мощности и другие параметры, относящиеся к тому режиму работы, для которого трансформатор предназначен изготовителем, называются номинальными. Номинальные параметры указываются на табличке, прикрепленной к трансформатору.
Под номинальными напряжениями понимаются линейные напряжения каждой из обмоток на линейных выводах.
Номинальная частота гармонически изменяющихся величин (токов, напряжений) для трансформаторов общего применения в нашей стране равна 50 Гц, в некоторых других странах, например в США, 60 Гц.
Сообщение на щитке трансформатора номинальных данных не следует понимать как предписание эксплуатировать трансформатор только в номинальном режиме. Работа трансформатора возможна и в диапазоне изменения тока /2 от 0 до /2ном, возможны и некоторые перегрузки по току, ограниченные по времени [13], а также небольшие изменения напряжения и частоты.
Следует заметить, что при фиксированном первичном напряжении Ul = const вторичное напряжение U2 зависит от вторичной нагрузки и ее характера и может отличаться на ±5—10 % от напряжения U2 при холостом ходе, когда /2 = 0. Казалось бы, за номинальное вторичное напряжение следует принять напряжение при номинальной мощности 5Н0М. Однако это напряжение зависит от фазы тока 12 по отношению к напряжению. Поэтому, чтобы избежать неопределенности, за номинальное вторичное напряжение С/2ном принимается напряжение при холостом ходе трансформатора (при /2 = 0).
За номинальный вторичный ток условно принимается ток, рассчитанный по номинальной мощности при номинальном вторичном напряжении.
В зависимости от соотношения между номинальными напряжениями первичной и вторичной обмоток различают трансформаторы понижающие и повышающие. В повышающем трансформаторе первичная обмотка является обмоткой низшего напряжения (НН), вторичная — обмоткой высшего напряжения (ВН). В понижающем — наоборот. Например, трансформатор на рис. 1.2 будет повышающим, если Uхном < С/2ном, и понижающим, если U1ном > С/2ном (стрелки на рисунке показывают направление передачи энергии).