ТРАНСФОРМАТОРЫ
Электрический ток никогда не получил бы такого широкого применения, если бы его нельзя было преобразовывать почти без потерь энергии. Назначение трансформаторов. ЭДС мощных генераторов электростанций довольно велика. Между тем в практике чаще всего нужно не слишком высокое напряжение. Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света. Устройство трансформатора. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 98). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Условное обозначение трансформатора приведено на рисунке 99. Трансформатор на холостом ходу. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении _ переменного тока по первичной об- мотке в сердечнике появляется пе- ременный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях. Мгновенное значение ЭДС индукции в в любом витке первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея оно определяется формулой где Ф' — производная потока магнитной индукции по времени. Если Ф=Ф„, cos соt, то где %т=(оФт — амплитуда ЭДС в одном витке. В первичной обмотке, имеющей /V, витков, полная ЭДС индукции е{ равна Nle. Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции е2 равна N2e (N2 — число витков этой обмотки). Отсюда следует, что Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю ЭДС индукции При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет и имеет место соотношение Мгновенные значения ЭДС вх и е2 изменяются синфазно (одновременно достигают максимума и одновременно проходят через нуль). Поэтому их отношение в формуле (5.4) можно заменить отношением действующих значений %х w%2 этих ЭДС или, учитывая равенства (5.5) и (5.6), отношением действующих значений напряжений Величина К называется коэффициентом трансформации. При К> 1 трансформатор является понижающим, а при К< 1 — повышающим. Работа нагруженного трансформатора. Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, или, как говорят, нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного потока в сердечнике. Но уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно, в свою очередь, уменьшить ЭДС индукции в первичной обмотке. Однако это невозможно, так как согласно (5.5) ¦ «j j~¦ ¦. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную ко вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи: Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот). Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение приблизительно одинаково в первичной и вторичной обмотках. 1. Что такое коэффициент трансформации!