Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, электромагнитная схема которого представлена ниже:
На замкнутом магнитопроводе из ферромагнитного материала расположены две обмотки, первичная и вторичная. На первичную обмотку подаётся входное напряжение U1 от источника переменного тока (электрической сети), а к вторичной, на которой наводится (индуктируется) переменное напряжение U2, подключается нагрузка, имеющая сопротивление Zн. Применение ферромагнитного магнитопровода даёт возможность уменьшать магнитное сопротивление контура, по которому замыкается магнитный поток, что положительно отражается на усилении электромагнитной связи между обмотками.
В подключенной к сети первичной обмотке трансформатора протекает переменный ток, который в свою очередь создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Переменный магнитный поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные электродвижущие силы (ЭДС) е1 и е2. Мгновенные значения этих ЭДС, согласно закону Максвелла, пропорциональны числу витков w1 и w2 соответствующих обмоток и скорости изменения магнитного потока dФ/dt, определяются выражением:
Из этого следует, что отношение действующих и мгновенных значений ЭДС в обмотках можно представить как:
Падением напряжения в обмотках трансформатора можно пренебречь, поскольку оно обычно составляет 3%…5% от номинальных значений, и считать что E1≈U1 и E2≈U2 . Тогда получим:
Из этого равенства отношений, напряжений и количества витков соответствующих обмоток, следует, что подобрав (рассчитав) количество витков обмоток при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2 (то есть U2< U1, U2>U1 или U2=U1).
Если надо получить U2< U1, то количество витков w2 вторичной обмотки должно быть меньше количества витков w1 первичной обмотки, такой трансформатор называют понижающим. Если же надо получить U2>U1, то количество витков w2 вторичной обмотки должно быть больше количества витков w1 первичной обмотки, такой трансформатор называют повышающим.
Предположим, что количество витков w1 первичной обмотки больше количества витков w2 вторичной обмотки. Это значит что в дальнейшем мы будем рассматривать работу двухобмоточного понижающего трансформатора.
Важным параметром, которым широко пользуются в электротехнических расчетах, является коэффициент трансформации, представляющий собой отношение ЭДС обмотки высшего напряжения Ев.н. к ЭДС обмотки низшего напряжения Ен.н. (или отношение числа витков wв.н. обмотки высшего напряжения к числу витков wн.н. обмотки низшего напряжения).
Следует обратить внимание, что значение коэффициента трансформации всегда больше единицы (поскольку всегда Ев.н. > Ен.н., wв.н. > wн.н.).
В электроэнергетике в системах распределения и передачи энергии применяют также и трехобмоточные трансформаторы, а для устройств автоматики и радиоэлектроники – многообмоточные трансформаторы. На магнитопроводе этих трансформаторов находится три или большее число изолированных друг от друга обмоток. Это даёт возможность получать большее число напряжений (U2, U3, U4 и так далее, необходимых для питания различных групп электрических цепей), подавая напряжение (U1) только на одну (первичную) обмотку.
Трансформаторы преобразуют только напряжения и токи, оставляя мощность приблизительно постоянной (входная мощность первичной обмотки должна равняться сумме мощностей вторичных обмоток с учётом, как правило, незначительных, внутренних потерь энергии в самом трансформаторе). В случае с двухобмоточным понижающим трансформатором, увеличение напряжения на вторичной обмотке (без изменения напряжения на первичной) в k раз должно привести к уменьшению тока во вторичной обмотке в k раз:
Ведь мощность P=U∙I∙сos φ , U1∙I1∙cos φ ≈ U2∙I2∙cos φ , отсюда I2 ≈ U1∙I1/ U2
Для трансформаторов важной особенностью является то, что они могут работать только в цепях переменного тока. Если подключить к цепи постоянного тока первичную обмотку трансформатора, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, но он будет постоянным по направлению, величине и времени. Поэтому, в установившемся режиме, в обмотках трансформатора (как первичной, так и вторичной) не будет индуктироваться ЭДС (формула 1а) . Как следствие, не будет выполняться передача электроэнергии из первичной цепи во вторичную. При этом из-за отсутствия, противоЭДС Е1, ток I1 в первичной обмотке резко возрастает и становится равным I1=U1/r1 (где r1 – сопротивление обмотки w1). Поэтому, подключение к цепи постоянного тока, может представлять серьёзную опасность для трансформатора и не только.
Среди важных свойств трансформатора следует выделить его способность преобразовывать величину нагрузочного сопротивления. Например, если к источнику переменного тока подключить сопротивление r не напрямую, а через трансформатор с коэффициентом трансформации k, то его величина для цепи источника становится равной:
где Р1 — это мощность, которую трансформатор потребляет от источника переменного тока; Р2= I2²∙r ≈ P1— мощность, которую потребляет сопротивление r от трансформатора.
Из этого можно сделать вывод, что трансформатор изменяет величину сопротивления r для цепи источника переменного тока в k² раз. Поэтому, это свойство часто используют разработчики электрических схем для согласования сопротивления источника электроэнергии с сопротивлением нагрузки.
