Розглянемо принцип роботи трансформатора на прикладі однофазного двохобмотувальні трансформатора, електромагнітна схема якого представлена нижче:
На замкнутому магнітопроводі з феромагнітного матеріалу розташовані дві обмотки, первинна та вторинна. На первинну обмотку подається вхідна напруга U1 від джерела змінного струму (електричної мережі), а до вторинної, на якій наводиться (індукується) змінну напругу U2, підключається навантаження, що має опір Zн. Застосування феромагнітного магнітопроводу дає можливість зменшувати магнітний опір контуру, по якому замикається магнітний потік, що позитивно відбивається на посиленні електромагнітної зв'язку між обмотками.
У підключеної до мережі первинної обмотці трансформатора протікає змінний струм, який в свою чергу створює змінний магнітний потік Ф, що замикається по магнітопровода. Змінний магнітний потік Ф індукує в обох обмотках змінні електрорушійні сили (ЕРС) е1 і е2. Миттєві значення цих ЕРС, відповідно до закону Максвелла, пропорційні числу витків w1 і w2 відповідних обмоток і швидкості зміни магнітного потоку dФ / dt, визначаються виразом:
З цього випливає, що відношення діючих і миттєвих значень ЕРС в обмотках можна уявити як:
Падінням напруги в обмотках трансформатора можна знехтувати, оскільки воно зазвичай становить 3% ... 5% від номінальних значень, і вважати що E1≈U1 і E2≈U2. Тоді отримаємо:
З цієї рівності відносин, напруг і кількості витків відповідних обмоток, слід, що підібравши (розрахувавши) кількість витків обмоток при заданій напрузі U1 можна отримати бажане напруга U2 (тобто U2 <U1, U2> U1 або U2 = U1).
Якщо треба отримати U2 <U1, то кількість витків w2 вторинної обмотки має бути меншою за кількість витків w1 первинної обмотки, такий трансформатор називають знижувальним. Якщо ж треба отримати U2> U1, то кількість витків w2 вторинної обмотки має бути більше кількості витків w1 первинної обмотки, такий трансформатор називають підвищує.
Припустимо, що кількість витків w1 первинної обмотки більше кількості витків w2 вторинної обмотки. Це означає що в подальшому ми будемо розглядати роботу двохобмотувальні понижувального трансформатора.
Важливим параметром, яким широко користуються в електротехнічних розрахунках, є коефіцієнт трансформації, що є відношенням ЕРС обмотки вищої напруги Ев.н. до ЕРС обмотки нижчої напруги Ен.н. (Або відношення числа витків wв.н. обмотки вищої напруги до числа витків wн.н. обмотки нижчої напруги).
Слід звернути увагу, що значення коефіцієнта трансформації завжди більше одиниці (оскільки завжди Ев.н.> Ен.н., wв.н.> wн.н.).
В електроенергетиці в системах розподілу і передачі енергії застосовують також і трьохобмоточні трансформатори, а для пристроїв автоматики і радіоелектроніки - багатообмоточні трансформатори. На муздрамтеатрі цих трансформаторів знаходиться три або більше число ізольованих один від одного обмоток. Це дає можливість отримувати більшу кількість напруг (U2, U3, U4 і так далі, необхідних для харчування різних груп електричних ланцюгів), подаючи напругу (U1) тільки на одну (первинну) обмотку.
Трансформатори перетворять тільки напруги і струми, залишаючи потужність приблизно постійною (вхідна потужність первинної обмотки повинна дорівнювати сумі потужностей вторинних обмоток з урахуванням, як правило, незначних, внутрішніх втрат енергії в самому трансформаторі). У випадку з двообмоткових знижувальним трансформатором, збільшення напруги на вторинній обмотці (без зміни напруги на первинної) в k раз повинно привести до зменшення струму у вторинній обмотці в k раз:
Адже потужність P = U ∙ I ∙ сos φ, U1 ∙ I1 ∙ cos φ ≈ U2 ∙ I2 ∙ cos φ, звідси I2 ≈ U1 ∙ I1 / U2
Для трансформаторів важливою особливістю є те, що вони можуть працювати тільки в ланцюгах змінного струму. Якщо підключити до ланцюга постійного струму первинну обмотку трансформатора, то в його магнітопроводі утворюється магнітний потік, але він буде постійним у напрямку, величиною і часу. Тому, в сталому режимі, в обмотках трансформатора (як первинної, так і вторинної) не индуктироваться ЕРС (формула 1а). Як наслідок, не буде виконуватися передача електроенергії з первинної ланцюга у вторинну. При цьому через відсутність, протівоедс Е1, ток I1 в первинній обмотці різко зростає і стає рівним I1 = U1 / r1 (де r1 - опір обмотки w1). Тому, підключення до ланцюга постійного струму, може становити серйозну небезпеку для трансформатора і не тільки.
Серед важливих властивостей трансформатора слід виділити його здатність перетворювати величину навантажувального опору. Наприклад, якщо до джерела змінного струму підключити опір r не безпосередньо, а через трансформатор з коефіцієнтом трансформації k, то його величина для ланцюга джерела стає рівною:
де Р1 - це потужність, яку трансформатор споживає від джерела змінного струму; Р2 = I2² ∙ r ≈ P1- потужність, яку споживає опір r від трансформатора.
З цього можна зробити висновок, що трансформатор змінює величину опору r для ланцюга джерела змінного струму в k² раз. Тому, це властивість часто використовують розробники електричних схем для узгодження опору джерела електроенергії з опором навантаження.
