Трансформатори є найбільш впізнаваним обладнанням в енергосистемах. Вони великі, виразні, прості в принципі, але вимагають значного догляду, через що здаються значно більшими, ніж «кабелі». На схемі електромережі трансформатори є як би магістральними вузлами, а інше обладнання служить їх зв'язками.

У цій статті будуть представлені компоненти, принципи, функції, класифікація та сценарії застосування трансформаторів.

1. Склад трансформатора

Трансформатор в основному складається з сердечника і обмоток.

Сердечник слугує магнітним контуром трансформатора, тоді як обмотки є частиною електричного кола, створеного шляхом намотування певної кількості витків дроту з емальованим- покриттям.

Обмотка, підключена до джерела живлення, називається первинною обмоткою, також відомою як первинна котушка. Обмотка, підключена до навантаження, називається вторинною обмоткою, також відомою як вторинна котушка або вторинна бічна обмотка.

Основними формами структур ядра є ядро-у формі серця та тип оболонки.

• Трансформатор із сердечником-у формі серця

Стовпчики трансформатора-типу сердечника оточені обмотками. Простіше кажучи, обмотки оточують сердечник, що робить структуру відносно простою та легшою для збирання й ізоляції, тому в трансформаторах часто використовується структура сердечника-.

• Трансформатор-типу оболонки

У трансформаторі оболонкового-типу сердечник оточує обмотку. Трансформатори оболонкового- типу мають високу механічну міцність і виступаючі кути, але процес їх виготовлення складний і потребує більше матеріалів. Зазвичай вони використовуються лише в трансформаторах низької-напруги, високого{5}}струму або малої{6}}потужності.

2. Основний принцип роботи трансформатора

Трансформатор працює за принципом електромагнітної індукції.

Коли відповідне джерело живлення змінного струму підключено до обох кінців первинної обмотки, під дією напруги живлення u₁, змінний струм i₀ протікає через первинну обмотку, створюючи магніторушійну силу в первинній обмотці. Це збуджує в осерді змінний магнітний потік ϕ. Цей змінний потік ϕ з’єднує як первинну, так і вторинну обмотки. Відповідно до закону електромагнітної індукції індуковані електрорушійні сили e₁і e₂генеруються в первинній і вторинній обмотках відповідно. Під дією індукованої електрорушійної сили e₂, вторинна обмотка може живити навантаження, досягаючи передачі енергії.

Відношення наведених електрорушійних сил у первинній і вторинній обмотках дорівнює відношенню числа витків у первинній і вторинній обмотках. Величина наведеної електрорушійної сили e₁на первинній стороні близька до прикладеної напруги u₁на первинній стороні, тоді як величина наведеної електрорушійної сили e₂на вторинній стороні близька до вихідної напруги u₂на вторинній стороні.

Тому, просто змінивши кількість витків у первинній або вторинній обмотці один або два рази, вихідна напруга u₂можна регулювати. Це основний принцип роботи трансформатора, який використовує принцип електромагнітної індукції для перетворення джерела змінного струму одного рівня напруги в джерело змінного струму тієї ж частоти, але іншого рівня напруги.

2.Основні функції трансформатора

Основні функції трансформатора включають перетворення напруги, перетворення струму, перетворення імпедансу, ізоляцію та регулювання напруги.

Трансформація напруги: трансформатори можуть збільшувати або зменшувати напругу змінного струму для задоволення різних потреб в електроенергії. Наприклад, підвищувальний-трансформатор використовується для підвищення напруги від електростанції, щоб зменшити втрати енергії під час передачі, а понижуючий-трансформатор використовується для зниження високої напруги до безпечної для використання.

Перетворення струму: змінюючи напругу, трансформатор також відповідно змінює струм. Відповідно до закону збереження потужності при збільшенні напруги сила струму зменшується, і навпаки. Ця характеристика робить трансформатори дуже важливими для передачі електроенергії, оскільки вони можуть ефективно керувати струмовими навантаженнями.

Перетворення імпедансу: трансформатори можуть змінювати імпеданс ланцюга, роблячи його більш придатним для різних умов навантаження. Це особливо важливо для аудіообладнання та інших електронних пристроїв, оскільки це може покращити ефективність передачі сигналу.

Ізоляція: трансформатори можуть забезпечити електричну ізоляцію, захищаючи безпеку обладнання та користувачів. Ця ізоляція може запобігти пошкодженню низьковольтного-обладнання високою напругою, забезпечуючи безпечну роботу обладнання.

Регулювання напруги: Певні типи трансформаторів (наприклад, реактори з можливістю насичення) можна використовувати для регулювання напруги, допомагаючи підтримувати стабільність напруги та забезпечуючи надійність і стабільність енергосистеми.

4.Класифікація трансформаторів

4.1 Класифікація за місткістю

• Малий трансформатор: напруга нижче 10 кВ, потужність від 1 до 500 кВА.

• Трансформатори малого та середнього розміру: напругою 35 кВ і нижче, потужністю від 630 до 6300 кВА.

• Великі трансформатори: напругою 110 кВ і нижче, потужністю від 8000 до 63000 кВА.

4.2 Класифікація за використанням

• Силовий трансформатор: використовується для підсилення, пониження, розподілу та з’єднання в системах передачі та розподілу електроенергії або спеціально використовується як трансформатор для електростанцій і підстанцій.

• Вимірювальні трансформатори: такі як трансформатори напруги та трансформатори струму, які використовуються для вимірювальних приладів і пристроїв релейного захисту.

• Силовий трансформатор: використовується для керування живленням, освітленням та індикаторами загального механічного обладнання.

• Електронний трансформатор: використовується в електронних схемах, таких як джерела живлення-режиму перемикання, узгодження звуку, імпульсу та імпедансу.

• Випробувальний трансформатор: здатний генерувати високу напругу для проведення-випробувань електрообладнання високою напругою.

• Спеціальні трансформатори: такі як електропічні трансформатори, випрямні трансформатори, трансформатори регулювання напруги тощо.

4.3 Класифікація за кількістю фаз обмоток трансформатора

• Одно-фазний трансформатор: використовується для одно-фазних навантажень і три-фазних трансформаторних груп.

• Три{0}}фазний трансформатор: використовується для підвищення або зниження напруги в три-фазних системах.

4.4 Класифікація за методом охолодження трансформатора

• Сухий-трансформатор: охолоджується повітряною конвекцією, зазвичай використовується для малих{1}}трансформаторів, таких як місцеве освітлення та електронні схеми.

• Масляний-трансформатор: трансформатор, який використовує трансформаторне масло як ізоляційне та охолоджувальне середовище, при цьому сердечник і обмотки повністю занурені в ізоляційне масло.

4.5 Класифікація за типом з'єднання обмоток трансформатора

• Подвійний{0}}обмотковий трансформатор: використовується для з’єднання двох рівнів напруги в системі живлення.

• Три{0}}обмотковий трансформатор: зазвичай використовується на регіональних підстанціях енергосистеми для з’єднання трьох рівнів напруги.

• Автотрансформатор: первинна і вторинна обмотки об'єднані в одну, використовуються для підключення систем живлення різної напруги. Його також можна використовувати як звичайний підвищуючий або знижувальний-трансформатор.

4.6 Класифікація за робочою частотою трансформатора

• Трансформатор потужності: його робоча частота становить 50 Гц або 60 Гц.
• Трансформатор проміжної частоти: робоча частота 400–1000 Гц.
• Трансформатор звукової частоти: його робоча частота 20 Гц–20 кГц.

• Надзвуковий частотний трансформатор: його робоча частота вище 20 кГц, як правило, не перевищує 100 кГц.

• Високочастотний-трансформатор: трансформатор із робочою частотою від 20 Гц до понад 100 кГц.

5. Сценарії застосування трансформерів

5.1 Система живлення

• Електростанції. Трансформатори використовуються для підвищення напруги, яку генерують генератори, для передачі в електромережу, що забезпечує -передачу електроенергії на великі відстані.

• Підстанції: на підстанціях трансформатори перетворюють електроенергію високої-напруги в електроенергію низької-напруги для задоволення потреб різного електричного обладнання. У той же час трансформатори також можуть виконувати такі функції, як компенсація реактивної потужності та регулювання напруги, забезпечуючи стабільну роботу енергосистеми.

• Лінії електропередачі. У лініях електропередачі трансформатори використовуються для підвищення напруги, щоб зменшити втрати енергії та забезпечити ефективну-передачу електроенергії на великі відстані.

5.2Громадський сектор

• Побутова електроенергія: силові трансформатори перетворюють електроенергію високої-напруги в електроенергію низької-напруги, придатну для домашнього використання, забезпечуючи нормальне споживання електроенергії мешканцями.

• Заряджання акумуляторів. Незалежно від того, чи це ноутбук, телефон чи електромобіль, для роботи цих пристроїв потрібні акумулятори, а для заряджання акумуляторів потрібен трансформатор. Основною функцією трансформатора є регулювання напруги та запобігання проходженню через пристрої струмів витоку або імпульсних струмів.

5.3 Поле зв'язку

Комунікаційні трансформатори використовуються в телефонних терміналах і продуктах магістральних ліній для регулювання якості та стану комунікаційних кіл. Крім того, комунікаційні трансформатори широко використовуються в кабельних модемах, мережевих картах, концентраторах, широкосмуговому комунікаційному обладнанні xDSL, комутаторах, оптоволоконних трансиверах, маршрутизаторах, вбудованих системах і мережевих комунікаційних пристроях VoIP.

5.4 Інші спеціальні програми

• Аудіообладнання: аудіотрансформатори зазвичай використовуються для забезпечення ізоляції сигналів, що проходять через ланцюг, і допомагають узгодити значення імпедансу джерела та навантаження. Вони також можуть усувати небажані або зашумлені сигнали та фільтрувати вхідний сигнал. Ці типи трансформаторів спеціально розроблені для обробки сигналів у межах чутного діапазону, тобто сигналів із частотою від 20 Гц до 20 кГц.

• Вимірювальні прилади: вимірювачі струму, напруги та інші вимірювальні інструменти та пристрої зазвичай використовують трансформатори для загальної роботи. Наприклад, вимірювальні трансформатори струму забезпечують необхідну безпеку ланцюга, ізолюючи вимірювальний пристрій від решти ланцюга та пригнічуючи або знижуючи великі струми до оптимальних значень перед подачею їх на амперметр.

• Випрямлення. Випрямляючі трансформатори можуть перетворювати змінний струм на постійний із застосуванням керування двигуном, гірничодобувною промисловістю, електричними печами, дослідницькими лабораторіями, високо{0}}передачею постійного струму тощо.