Устройство, служащее для преобразования электрической энергии посредством эффекта электромагнитной индукции с одними параметрами переменного напряжения и тока на входе к другим параметрам этих величин на выходе, без изменения частоты, называется трансформатором.
Схематично Устройство трансформатора состоит из двух изолированных друг от друга обмоток, размещённых на ферромагнитном сердечнике. Магнитный поток от тока в первичной обмотке возбуждает ЭДС во вторичной обмотке, как это можно увидеть на Рис.1.
Первичная обмотка трансформатора
Первичная обмотка трансформатора запитывается переменным напряжением U_1, порождающим в ней ток I_1.
Вторичная обмотка трансформатора
Вторичная обмотка трансформатора, при взаимодействии с магнитным потоком Ф, генерирует в своих витках ЭДС, что приводит к возникновению напряжения на обмотке U_2 и тока I_2, зависящие от общего сопротивления вторичной цепи.
ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Остановимся на наиболее распространённых видах трансформаторов.
Силовой трансформатор
Силовые трансформаторы преобразуют переменное напряжение низких частот (50-60 Гц) и рассчитаны на большую мощность. Они обеспечивают приём и передачу электроэнергии в магистральных линиях с напряжением до 1150 кВ и в городских с напряжением до 10 кВ. Один из трансформаторов такого типа можно посмотреть на Рис.2. Там же приведено и описание его устройства.
Наибольшее распространение получили трёхфазные силовые трансформаторы из-за большего КПД.
Сетевой трансформатор
Эти устройства, как правило однофазные, обеспечивают преобразование напряжения бытовой электросети (порядка 220 вольт, 50 Гц) в напряжения питания различных систем электроприборов в диапазоне 5–48 вольт.
На Рис.3 показаны некоторые из них с Ш-образными и тороидальным сердечником. Тороидальные сердечники обеспечивают большую компактность устройства.
Автотрансформатор
Обмотки этого устройства являются одной цепью и их взаимодействие между собой обеспечивается как электромагнитной, так и гальванической связью. Они позволяют на разных выводах от группы витков получать различные выходные напряжения. Примеры трансформаторов можно посмотреть на Рис.4.
Экономия провода на обмотке и на количестве материала сердечника позволяет уменьшить стоимость и вес устройства. Наличие же гальванической связи между обмотками является его недостатком.
Автотрансформаторы применяются в системах автоматики, широко применяются в высоковольтных сетях. Большое распространение получили трёхфазные автотрансформаторы.
Силовые автотрансформаторы применяются в системах пуска мощных электродвигателей и имеют собственную мощность сотни мегаватт.
Одной из разновидностей автотрансформатора является лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), который позволяет произвольно менять выходное напряжение в рамках диапазона регулирования. Контактный движок с угольной щёткой может перемещаться от витка к витку обмотки на тороидальном сердечнике посредством поворотной ручки, что и обеспечивает плавное изменение выходного напряжения.
Наиболее часто применяемые ЛАТР – однофазные с диапазоном напряжения на выходе 0-250 вольт и трёхфазные 0-450 вольт.
Сварочный трансформатор
Эти устройства предназначены для получения выходного тока большой силы с соответственным понижением выходного напряжения. Устройство такого трансформатора можно посмотреть на Рис.5
Измерительный трансформатор или трансформатор тока
Первичная обмотка такого устройства чаще всего имеет один виток либо прямой провод, пропущенный через сердечник и последовательно включённый в цепь измеряемого переменного тока. Вторичных обмоток может быть несколько. К ним подключаются измерительные приборы и устройства защиты. Измерительные приборы и устройства защиты должны иметь малое внутреннее сопротивление. Ток во вторичных обмотках пропорционален току первичной обмотки с коэффициентами трансформации К.
Для трансформаторов тока К должен быть значительно больше единицы.
Измерительные трансформаторы гальванически развязывают рабочую и измерительные цепи, что делает работу в измерительных цепях безопасной. Требование включения нагрузки в измерительные цепи обязательно, иначе трансформатор может выйти из строя.
Такие трансформаторы широко применяются в схемах релейной защиты.
Импульсные трансформаторы
Эти устройства широко используют в схемах балласта энергосберегающих ламп, в зарядных устройствах, в блоках питания аппаратуры, в сварочных аппаратах и инверторах, в других маломощных или силовых преобразователях электроэнергии. Они выполняются на ферритовых сердечниках, что позволяет работать с высокими частотами.
Существуют импульсные трансформаторы тока, которые применяются в импульсных схемах для измерения величины и/или направления тока.
На Рис.6 показаны различные импульсные трансформаторы.