Серед приладів змінного струму, що знайшли широке застосування в техніці, значне місце займають трансформатори. Принцип дії трансформаторів, що застосовуються для підвищення або зниження напруги змінного струму, заснований на явищі електромагнітної індукції. Найпростіший трансформатор складається з сердечника замкнутої форми з магнітомягкого матеріалу, на який намотані дві обмотки: первинна і вторинна (рис. 2.5.1).

Первинна обмотка приєднується до джерела змінного струму з ЕРС e1 (t), тому в ній виникає струм J1 (t), що створює в осерді трансформатора змінний магнітний потік Φ, який практично без розсіювання циркулює по замкнутому магнітному сердечнику і, отже, пронизує всі витки первинної і вторинної обмоток. У режимі холостого ходу, тобто при розімкнутому ланцюзі вторинної обмотки, струм в первинній обмотці дуже малий через великий індуктивного опору обмотки. В цьому режимі трансформатор споживає невелику потужність.

Ситуація різко змінюється, коли в ланцюг вторинної обмотки включається опір навантаження R н, і в ній виникає змінний струм J2 (t). тепер повний магнітний потік Φ в осерді створюється обома струмами. але згідно правилом Ленца магнітний потік Φ2, створюваний індукованим у вторинній обмотці струмом J2, спрямований назустріч потоку Φ1, створюваному струмом J1 в первинній обмотці: Φ = Φ1 - Φ2. Звідси випливає, що струми J1 і J2 змінюються в протифазі, тобто мають фазовий зсув, рівний 180 °.

Інший важливий висновок полягає в тому, що струм J1 в первинній обмотці в режимі навантаження значно більше струму холостого ходу. Це випливає з того, що повний магнітний потік Φ в осерді в режимі навантаження повинен бути таким же, як і в режимі холостого ходу, так як напруга u1 на первинній обмотці в обох випадках один і той же. Ця напруга дорівнює ЕРС джерела e1 змінного струму. Так як магнітні потоки, які пронизують обмотки, пропорційні числу n1 і n2 витків в них, можна записати для первинної обмотки: e 1 + e 1 інд = 0, u 1 = e 1 = - e 1 інд = n 1 d Φ d t; для вторинної обмотки: u 2 = J 2 R н = e 2 інд, u 2 = - n 2 d Φ d t.

Отже, u 2 = - n 2 n 1 u 1.

Знак мінус означає, що напруги u 1 і u 2 знаходяться в протифазі, також як і струми J 1 і J 2 в обмотках. Тому фазовий зсув φ1 між напругою u 1 і струмом J 1 в первинній обмотці дорівнює фазового зсуву φ2 між напругою u 2 і струмом J 2 у вторинній обмотці. Якщо навантаженням вторинної обмотки є активний опір R н, то φ1 = φ2 = 0.

Для амплітудних значень напруг на обмотках можна записати: U 2 U 1 = n 2 n 1 = K.

Коефіцієнт K = n2 / n1 є коефіцієнт трансформації. При K> 1 трансформатор називається що підвищує, при K <1 - знижувальним.

Наведені вище співвідношення, строго кажучи, застосовні тільки до ідеального трансформатора, в якому немає розсіювання магнітного потоку і відсутні втрати енергії на джоулево тепло. Ці втрати можуть бути пов'язані з наявністю активного опору самих обмоток і виникненням індукційних струмів (струмів Фуко) в осерді. Для зменшення струмів Фуко сердечники транформатор виготовляють з дрібних сталевих листів, ізольованих один від одного. Існує ще один механізм втрат енергії, пов'язаний з гістерезисних явищами в осерді. При циклічному перемагничивании феромагнітних матеріалів виникають втрати електромагнітної енергії, прямо пропорційні площі петлі гистерезиса .

У хороших сучасних трансформаторів втрати енергії при навантаженнях, близьких до номінальних, не перевищує 1-2%, тому до них наближено може бути застосована теорія ідеального трансформатора.

Якщо знехтувати втратами енергії, то потужність P1, споживана ідеальним трансформатором від джерела змінного струму, дорівнює потужності P2, переданої навантаженні. U 1 I 1 2 = U 2 I 2 2, cos φ 1 = cos φ 2 = 1.

Звідси випливає, що I 1 I 2 = U 2 U 1 = n 2 n 1 = K, тобто струми в обмотках обернено пропорційні числу витків.

Беручи до уваги, що U2 = RнI2, можна отримати наступне співвідношення U 1 I 1 = R н K 2

Ставлення Rекв = U1 / I1 можна розглядати як еквівалентний активний опір первинного кола, коли вторинна обмотка навантажена на опір Rн. Таким чином, трансформатор «трансформує» не тільки напруги і струми, а й опору.

У сучасній техніці знайшли широке застосування трансформатори різних конструкцій. У радіотехнічних пристроях використовуються невеликі, малопотужні трансформатори, які переважно мають кілька обмоток (понижуючих або підвищують напругу джерела змінного струму). В електротехніці часто застосовуються так звані трифазні трансформатори, призначені для одночасного підвищення або зниження трьох напруг, зсунутих по фазі відносно один одного на кути 120 °.

Потужні трифазні трансформатори використовуються в лініях передач електроенергії на великі відстані.

Передача електричної енергії від електростанцій до великих міст або промислових центрів на відстані тисяч кілометрів є складною науково-технічною проблемою.

Для зменшення втрат на нагрівання проводів необхідно зменшити силу струму в лінії передачі, і, отже, збільшити напругу. Зазвичай лінії електропередачі будуються в розрахунку на напругу 400-500 кВ, при цьому в лініях використовується трифазний струм частотою 50 Гц. На рис. 2.5.2 представлена ​​схема лінії передачі електроенергії від електростанції до споживача. Схема дає уявлення про використання трансформаторів при передачі електроенергії.

Слід зазначити, що при підвищенні напруги в лініях передач збільшуються витоку енергії через повітря. У сиру погоду поблизу проводів лінії може виникнути так званий коронний розряд, який можна виявити за характерним потріскування. Коефіцієнт корисної дії ліній передач не перевищує 90%.

Найпростіший трансформатор і його умовне зображення в схемах. n1 і n2 - числа витків в обмотках Умовна схема високовольтної лінії передачі. Трансформатори змінюють напругу в декількох точках лінії. На схемі зображено тільки один з трьох проводів високовольтної лінії