1. Призначення трансформаторів.
2. Будова трансформатора.
3. Трансформатор на холостому ходу.
4. Робота трансформатора під навантаженням.
5. ККД трансформатора.
1. Призначення трансформаторів.
Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до споживача.
Проте воно пов'язане із значними втратами в проводах внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює
, де I2 — сила струму в лінії, R — опір проводів лінії.
Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах лінії передач:
1) зменшення опору проводів;
2) використання струму меншої сили.
Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за рахунок збільшення їх поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат неприйнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.
Нехай, наприклад, необхідно передати електроенергію потужністю 105 кВт по лінії, опір якої R = 50 Ом (такий опір має двопровідна лінія передачі з мідного дроту діаметром 1 см завдовжки приблизно 150 км), з втратами на нагрівання проводів лінії 1 % (Рвт = 103 кВт). У цьому випадку потужність має передаватися струмом силою:
Отже, напруга в лінії має бути :
Цей приклад показує, що для передачі великої потужності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на високі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії за такої високої напруги взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Тому електричні генератори будують на напругу 6—25 тисяч вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги перетворюють в струми низької напруги (110 В, 220 В, 380 В і т. д.
Електричний струм ніколи би не дістав такого широкого використання, якби його не можна було перетворювати майже без втрат енергії.
Перетворення змінного струму, за якого напруга збільшується або зменшується в кілька разів практично без втрати потужності, здійснюється за допомогою трансформаторів.
Трансформатор – пристрій для зміни величини сили струму і напруги змінного струму при незмінній частоті.
Винайшов трансформатор російський вчений П.М.Яблочков для живлення винайдених ним “електричних свічок” – нового на той час джерела світла.
2. Будова трансформатора.
У найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток) , надітих на замкнуте осердя. Одна з обмоток – первинна – з’єднана з джерелом змінної напруги. Друга обмотка – вторинна – до якої приєднують навантаження, тобто прилади й пристрої, які споживають електроенергію (мал.1).
мал.1
Осердя набирається з тонких ізольованих листів трансформаторної сталі для боротьби із струмами Фуко.
3. Трансформатор на холостому ходу.
Режим роботи трансформатора, при якому вторинна обмотка розімкнута, називається режимом холостого ходу.
Дія трансформатора грунтується на явищі електромагнітної індукції. Під час проходження змінного струму по первинній обмотці в осерді виникає змінний магнітний потік. Магнітний потік, пронизуючи витки вторинної обмотки трансформатора, індукує в ній ЕРС. Під дією ЕРС по вторинній обмотці і через приймач енергії протікатиме струм. Отже, електрична енергія, трансформуючись, передається з первинного кола у вторинне, але з іншою напругою, на яку розрахований приймач енергії, ввімкнений у вторинне коло.Осердя з трансформаторної сталі концентрує магнітне поле, і магнітний потік існує практично тільки в самому осерді; він однаковий в усіх його перерізах.
Миттєве значення ЕРС індукції у будь-якому витку первинної чи вторинної обмотки є однаковим. У первинній обмотці, що має n1 витків, повна ЕРС індукції 
дорівнює 
. У вторинній обмотці повна ЕРС 
дорівнює 
. Звідси випливає, що
Звичайно активний опір обмоток трансформатора малий, і ним можна знехтувати. У такому випадку модуль напруги на затискачах котушки приблизно дорівнює модулю ЕРС індукції: 
Якщо коло вторинної обмотки розімкнуте, то струму в ній немає і
Таким чином, для діючих значень напруг можна записати
.
Коефіцієнт трансформації – величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора під час холостого ходу (без навантаження):
.
Якщо k<0, трансформатор називається підвищувальним. Підвищувальний трансформатор збільшує напругу. У ньому кількість витків n2 у вторинній обмотці має бути більшою за кількість витків у первинній обмотці, тобто n1 <n2.
Якщо k>0, трансформатор називається понижувальним. Понижувальний трансформатор зменшує напругу.
У ньому n1 >n2.
Будь-який трансформатор можна використати як підвищувальний, так і понижувальний.
4. Робота трансформатора під навантаженням.
Якщо до вторинної обмотки трансформатора приєднати споживач електроенергії, то сила струму у вторинній обмотці вже не буде дорівнювати нулю. Струм, що з’явився, створює в осерді свій змінний магнітний потік, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це приводить до автоматичного збільшення сили струму у вторинній обмотці.
Збільшення сили струму в колі первинної обмотки відбувається згідно із законом збереження енергії. Потужність у первинному колі за навантаження трансформатора, близького до номінального, приблизно дорівнює потужності у вторинному колі 
. Звідси
.
Це означає, що, підвищуючи за допомогою трансформатора напругу в кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму ( та навпаки ).
Отже, трансформатор перетворює змінний електричний струм таким чином, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий і первинній і вторинній обмотках.
5. ККД трансформатора.
ККД трансформатора визначається за такою формулою:
У сучасних потужних трансформаторах сумарні втрати енергії не перевищують 2 – 3%, їх ККД досягає 97 – 98%.