Трансформаторите са най-разпознаваемото оборудване в енергийните системи. Те са големи, отличителни, прости по принцип, но изискват много поддръжка, което ги прави да изглеждат много по-значителни от „кабелите“. На диаграмата на електрическата мрежа трансформаторите са като опорни възли, докато друго оборудване служи като техните връзки.

Тази статия ще представи компонентите, принципите, функциите, класификацията и сценариите за приложение на трансформаторите.

1. Състав на трансформатор

Трансформаторът се състои основно от сърцевина и намотки.

Сърцевината служи като път на магнитната верига на трансформатора, докато намотките са част от електрическата верига, направена чрез навиване на определен брой навивки от емайл{0}}покрит проводник.

Тази, свързана към източника на захранване, се нарича първична намотка, известна още като първична намотка. Тази, свързана към товара, се нарича вторична намотка, известна още като вторична намотка или вторична странична намотка.

Основните форми на структурите на сърцевината са типът сърце-с форма на сърце и типът черупка.

• Трансформатор със сърце{0}}форма на сърце

Колоните на сърцевинен трансформатор-тип са заобиколени от намотки. Просто казано, намотките обграждат сърцевината, което прави структурата сравнително проста и по-лесна за сглобяване и изолиране, поради което трансформаторите често използват структура от -тип сърцевина.

• Трансформатор тип-черупка

В трансформатор тип -корпус, сърцевината обгражда намотката. Трансформаторите тип -черупка имат висока механична якост и изпъкнали ъгли, но техният производствен процес е сложен и изисква повече материали. Обикновено се използват само в трансформатори с ниско-напрежение, висок-ток или трансформатори с малък-капацитет.

2. Основен принцип на работа на трансформатор

Трансформаторът работи на принципа на електромагнитната индукция.

Когато към двата края на първичната намотка е свързано подходящо AC захранване, под действието на захранващото напрежение u₁, променлив ток i₀ протича през първичната намотка, генерирайки магнитодвижеща сила в първичната намотка. Това възбужда променлив магнитен поток ϕ в ядрото. Този променлив поток ϕ свързва както първичната, така и вторичната намотка. Съгласно закона за електромагнитната индукция, индуцираните електродвижещи сили напр₁и д₂се генерират съответно в първичната и вторичната намотка. Под въздействието на индуцираната електродвижеща сила e₂, вторичната намотка може да захранва товара, постигайки пренос на енергия.

Съотношението на индуцираните електродвижещи сили в първичната и вторичната намотка е равно на отношението на броя на навивките в първичната и вторичната намотка. Големината на индуцираната електродвижеща сила e₁на първичната страна е близо до приложеното напрежение u₁от първичната страна, докато величината на индуцираната електродвижеща сила e₂на вторичната страна е близо до изходното напрежение u₂от вторичната страна.

Следователно, чрез проста промяна на броя на завъртанията в първичната или вторичната намотка веднъж или два пъти, изходното напрежение u₂може да се регулира. Това е основният принцип на работа на трансформатор, който използва принципа на електромагнитната индукция, за да преобразува източник на променлив ток с едно ниво на напрежение в източник на променлив ток със същата честота, но различно ниво на напрежение.

2.Основни функции на трансформатора

Основните функции на трансформатора включват преобразуване на напрежение, преобразуване на ток, преобразуване на импеданс, изолация и регулиране на напрежението.

Трансформация на напрежението: Трансформаторите могат да увеличат или намалят напрежението на променливия ток, за да отговорят на различни нужди от електричество. Например стъпков{1}}трансформатор се използва за увеличаване на напрежението от електроцентрала, за да се намалят загубите на енергия по време на предаване, докато стъпков{2}}надолу трансформатор се използва за понижаване на високо напрежение до безопасно напрежение за използване.

Трансформация на тока: Чрез промяна на напрежението трансформаторът съответно променя и тока. Според закона за запазване на мощността, когато напрежението се увеличава, токът намалява и обратно. Тази характеристика прави трансформаторите много важни при преноса на енергия, тъй като те могат ефективно да управляват текущите натоварвания.

Трансформация на импеданс: Трансформаторите могат да променят импеданса на верига, което я прави по-подходяща за различни условия на натоварване. Това е особено важно при аудио оборудване и други електронни устройства, тъй като може да подобри ефективността на предаване на сигнала.

Изолация: Трансформаторите могат да осигурят електрическа изолация, защитавайки безопасността на оборудването и потребителите. Тази изолация може да попречи на високото напрежение да повреди оборудване с ниско-волтаж, като гарантира безопасна работа на оборудването.

Регулиране на напрежението: Определени типове трансформатори (като насищащи се реактори) могат да се използват за регулиране на напрежението, като помагат за поддържане на стабилност на напрежението и осигуряват надеждността и стабилността на енергийната система.

4.Класификация на трансформаторите

4.1 Класифицирани по капацитет

• Малък трансформатор: напрежение под 10KV, капацитет между 1 и 500KVA.

• Малки и средни{0}}трансформатори: напрежение от 35 kV и по-ниско, капацитет от 630 до 6300 kVA.

• Големи трансформатори: напрежение 110 kV и по-ниско, капацитет между 8000 и 63000 kVA.

4.2 Класифицирани по употреба

• Силов трансформатор: Използва се за усилване, понижаване, разпределение и взаимно свързване в системи за пренос и разпределение на електроенергия или специално използвани като трансформатори за електроцентрали и подстанции.

• Инструментални трансформатори: като напреженови трансформатори и токови трансформатори, използвани за измервателни уреди и устройства за релейна защита.

• Силов трансформатор: използва се за захранване за управление, осветление и индикатори на общо механично оборудване.

• Електронен трансформатор: използва се в електронни вериги като захранващи-режими на захранване, аудио, импулс и съгласуване на импеданс.

• Изпитателен трансформатор: способен да генерира високо напрежение за провеждане на -тестове за високо напрежение на електрическо оборудване.

• Специални трансформатори: като трансформатори за електрически пещи, токоизправителни трансформатори, трансформатори за регулиране на напрежението и др.

4.3 Класифицирани по броя на фазите на намотките на трансформатора

• Еднофазен-трансформатор: използва се за еднофазни-натоварвания и три-фазни трансформаторни групи.

• Три{0}}фазен трансформатор: Използва се за повишаване или намаляване на напрежението в три{1}}фазни системи.

4.4 Класифицирани по метода на охлаждане на трансформатора

• Сух{0}}тип трансформатор: Охлажда се чрез въздушна конвекция, обикновено се използва за трансформатори с малък-капацитет като локално осветление и електронни вериги.

• Маслен{0}}трансформатор: Трансформатор, който използва трансформаторно масло като изолираща и охлаждаща среда, като сърцевината и намотките са изцяло потопени в изолационното масло.

4.5 Класифицирани по тип на свързване на намотката на трансформатора

• Трансформатор с двойна{0}}намотка: Използва се за свързване на две нива на напрежение в електроенергийната система.

• Трансформатор с три{0}}намотки: Обикновено се използва в регионални подстанции на електроенергийната система за свързване на три нива на напрежение.

• Автотрансформатор: Първичната и вторичната намотка са комбинирани в една, използвани за свързване на захранващи системи с различни напрежения. Може да се използва и като обикновен стъп{1}}нагоре или стъп-надолу трансформатор.

4.6 Класифицирани по работна честота на трансформатора

• Трансформатор на мощността: работната му честота е 50Hz или 60Hz.
• Междинен честотен трансформатор: работната му честота е 400–1000Hz.
• Аудиочестотен трансформатор: работната му честота е 20Hz–20kHz.

• Свръхзвуков честотен трансформатор: Работната му честота е над 20 kHz, обикновено не надвишава 100 kHz.

• Високо{0}}честотен трансформатор: трансформатор с работна честота в диапазона от 20 Hz до над 100 kHz.

5. Сценарии за приложение на трансформатори

5.1 Захранваща система

• Електрически централи: Трансформаторите се използват за повишаване на напрежението, генерирано от генераторите за пренос към електрическата мрежа, което позволява пренос на електричество на дълги-разстояния.

• Подстанции: В подстанциите трансформаторите преобразуват електричеството с високо-напрежение в електричество с ниско{1}}напрежение, за да отговорят на нуждите на различно електрическо оборудване. В същото време трансформаторите могат да изпълняват и функции като компенсиране на реактивната мощност и регулиране на напрежението, осигурявайки стабилна работа на електроенергийната система.

• Преносни линии: В преносните линии трансформаторите се използват за увеличаване на напрежението, за да се намалят загубите на енергия, постигайки ефективно пренос на електричество на дълги-разстояния.

5.2Граждански сектор

• Битово електричество: Силовите трансформатори преобразуват електричеството с високо-напрежение в електричество с ниско{1}}напрежение, подходящо за домашна употреба, като осигуряват нормална консумация на електроенергия за жителите.

• Зареждане на батерии: Независимо дали става въпрос за лаптоп, телефон или електрическо превозно средство, тези устройства изискват батерии, за да работят, а зареждането на батериите изисква трансформатор. Основната функция на трансформатора е да регулира напрежението и да предотвратява преминаването на токове на утечка или ударни токове през устройствата.

5.3 Комуникационно поле

Комуникационните трансформатори се използват във вериги на телефонни терминали и продукти за магистрални линии за регулиране на качеството и състоянието на комуникационните вериги. Освен това комуникационните трансформатори се използват широко в кабелни модеми, мрежови карти, хъбове, xDSL широколентово комуникационно оборудване, комутатори, оптични приемо-предаватели, рутери, вградени системи и VoIP мрежови комуникационни устройства.

5.4 Други специални приложения

• Аудио оборудване: Аудио трансформаторите обикновено се използват за осигуряване на изолация на сигналите, протичащи през верига, и помагат за съпоставяне на стойностите на импеданса на източника и товара. Те могат също така да елиминират нежелани или шумни сигнали и да филтрират входния сигнал. Тези типове трансформатори са специално проектирани да обработват сигнали в рамките на звуковия диапазон, т.е. сигнали с честоти между 20Hz и 20kHz.

• Измервателни инструменти: Измерватели на ток, измерватели на напрежение и различни други измервателни инструменти и устройства обикновено използват трансформатори за обща работа. Например, измервателните токови трансформатори осигуряват необходимата безопасност за веригата, като изолират измервателното устройство от останалата част от веригата и потискат или намаляват големи токове до оптимални стойности, преди да ги подадат към амперметъра.

• Коригиране: Токоизправителните трансформатори могат да преобразуват променлив ток в постоянен ток с приложения, включително управление на двигатели, минно дело, електрически пещи, научноизследователски и развойни лаборатории, пренос на постоянен ток с високо-напрежение и др.