Функция трансформатора

Трансформатор состоит из магнитной цепи, называемой сердечником, и имеет как минимум две обмотки с фиксированным числом витков, через которые протекают ток и напряжение. Обмотка, обращенная к электрическому напряжению (напряжению сети), называется первичной стороной (первичная обмотка), а сторона, обращенная к потребителю и электрической нагрузке, называется вторичной стороной (вторичная обмотка). Входящая мощность тока и напряжения преобразуется в исходящую мощность тока и напряжения.

Трансформатор , по сути, состоит из двух или более катушек и общего железного сердечника. В однофазном трансформаторе часто используется только одна катушка; для более высокой мощности две катушки соединяются параллельно или последовательно. Трехфазный трансформатор состоит из трех катушек, которые соединяются вместе в соответствии с желаемой группой коммутации. Обмотки трансформатора обычно изготавливаются из изолированного эмалированного медного провода и наматываются на железный сердечник либо на отдельном катушкодержателе, либо с распорными стержнями и изоляцией в соответствии с зазорами и расстояниями ползучести. Именно к ним подключается переменное напряжение, создавая переменное магнитное поле. Магнитный поток проходит через вторичную обмотку с помощью железного сердечника. Таким образом, переменное напряжение (индуцированное напряжение) на выходе может быть получено со вторичной обмотки трансформатора с желаемым переменным током. Соотношение витков первичной и вторичной обмоток определяет, будет ли напряжение на выходе ниже или выше входного напряжения. Если число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной обмотки, выходное напряжение будет больше входного. Однако если число витков вторичной обмотки меньше, выходное напряжение меньше входного. Соотношение числа витков N1/N2 имеет решающее значение для изменения мощности или переменного напряжения и тока. Толщина провода, используемого в катушках, определяется силой тока.

Технология изготовления сердечника и качество используемого сердечника трансформатора (железного сердечника) влияют на магнитную цепь. В идеале магнитная цепь трансформатора (магнитное поле) должна генерировать низкие потери на вихревые токи и иметь низкие потери на перемагничивание (потери на гистерезис). Другой аспект — это сопротивление в обмотке трансформатора. Потери в обмотке могут быть снижены только при использовании многослойных и упорядоченных витков на первичной и вторичной обмотках и лучшего металла обмотки. Напряжение регулируется количеством витков на катушке. Сила тока определяет диаметр металла обмотки.

Номинальная мощность трансформатора выражается в ВА или кВА (ВА означает вольт-ампер и является единицей измерения кажущейся электрической мощности, кВА — киловольт-ампер).
За исключением серебра, медь имеет наилучшее значение проводимости γ = 56. Алюминий, с другой стороны, имеет только γ = 36. Поэтому алюминий следует за ней с отставанием примерно в 35 процентов. Таким образом, медь является лучшим металлом, а алюминий — «только» вторым среди технически и экономически пригодных материалов-проводников для электрической энергии. Все остальные металлы не могут считаться проводниками, а сплавы обычно имеют значительно меньшую проводимость, чем чистые металлы. Серебро и золото полностью исключены из-за их высокой цены.

Идеального трансформатора не существует. Идеальный трансформатор не имеет потерь и используется только в качестве модели для описания работы трансформаторов. В идеальном трансформаторе напряжение на обмотке пропорционально скорости изменения магнитного потока и числу витков обмотки трансформатора за счет электромагнитной индукции. Это означает, что напряжение на обмотке пропорционально числу витков трансформатора. Если к вторичной обмотке подключена машина (нагрузка), она забирает энергию из трансформатора на вторичной стороне. Ток внутри трансформатора протекает по правилу Ленца. Поэтому токи в обмотках противоположны. Первичный ток в трансформаторе течет вправо по отношению к сердечнику, вторичный — влево. В идеальном трансформаторе комбинация уравнений для преобразования напряжения показывает, что энергия, подводимая к первичной обмотке, равна энергии, отводимой от вторичной обмотки. Это означает, что теоретически идеальный трансформатор не подвержен тепловым потерям.

Отличия от настоящего трансформатора можно определить следующим образом. У реального трансформатора есть сопротивления в обмотке, которые приводят к потерям энергии. Кроме того, в реальном трансформаторе всегда можно ожидать, что перемагничивание и вихревые токи также приведут к потерям энергии. Это приводит к потерям в меди (сопротивление в обмотке), гистерезисным потерям (перемагничивание) и вихревым потерям (потери из-за вихревых токов). Кроме того, всегда возникают потоки утечки (магнитный поток, проходящий через первичную обмотку, не проходит пропорционально через вторичную). Кроме того, проницаемость железного сердечника зависит от силы магнитного потока (плотности магнитного потока).

Как правило, трансформаторы различают в зависимости от их гальванической развязки. У изолирующих трансформаторов нет соединения между входной и выходной обмотками. Эти две обмотки отделены друг от друга. В автотрансформаторах вторичная обмотка получает напряжение от части первичной обмотки; отдельной независимой вторичной обмотки нет, поэтому гальваническая развязка здесь отсутствует. Преимуществом автотрансформаторов является их меньший размер по сравнению с изолирующими трансформаторами. Использование автотрансформаторов возможно лишь в ограниченных пределах и должно проверяться в каждом конкретном случае.

Трансформатор может изменять переменное напряжение и переменный ток между входом и выходом, но он не может изменять частоту. Входящая частота всегда такая же, как и исходящая. Трансформаторы также могут быть рассчитаны на высокие частоты.