§ 9. Преобразование переменного тока. Трансформатор

Для использования переменного тока на производстве и в быту необходимо уметь изменять его параметры в соответствии с запросами того или иного потребителя. Для этого созданы специальные устройства, позволяющие повышать или понижать напряжение в электрической цепи. Как они устроены? Почему категорически запрещено находиться в помещении, предназначенном для работы только такого устройства?

Генераторы переменного тока создают в расчете на определенные значения напряжения. Для практического использования электрической энергии во всевозможных устройствах и приборах необходимы различные значения напряжений. Для этого используются трансформаторы (от лат. transformo — преобразую).

Первую модель (прототип) трансформатора создал в 1831 г. Майкл Фарадей, намотав на железное кольцо две изолированные обмотки, которые использовал в своих экспериментах. В 1878 г. русский ученый Павел Николаевич Яблочков впервые использовал трансформатор для изменения напряжения питания изобретенных им источников света — «электрических свечей».

Трансформатор (рис. 65, а) — это электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения с сохранением его частоты.

Трансформатор, увеличивающий напряжение, называют повышающим, а уменьшающий — понижающим. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора на электрических схемах показаны, соответственно, на рисунке 65 б, в.

Самый простой трансформатор состоит из двух обмоток (катушек), надетых на общий замкнутый сердечник (см. рис. 65, а). Обмотка трансформатора, на которую подается переменное напряжение, называется первичной, а обмотка, с которой снимается преобразованное переменное напряжение, — вторичной. Число витков в первичной обмотке трансформатора обозначим N₁, а во вторичной — N₂.

Обмотки трансформатора могут быть расположены на сердечнике различным образом (рис. 66).

Принцип действия трансформа­тора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле, создаваемое переменным током в первичной обмотке (см. рис. 65, а), благодаря наличию замкнутого сер­дечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывает витки вторичной обмотки. Для этого сердечник изготовляется из спе­циального (ферромагнитного) материала, что позволяет создаваемое током в обмотках поле практически полностью локализовать внутри сердечника. В результате магнитный поток практически существует только внутри сердечника и одинаков во всех сечениях. Это позволяет считать мгновенные значения магнитных потоков во всех сечениях сердечника одинаковыми.

Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС и на нее подается напряжение U₁. Если пренебречь потерями магнитного потока в сердечнике, то согласно закону Фарадея ЭДС индукции, возникающая в каждом витке вторичной обмотке, будет такой же, как ЭДС индукции в каждом витке первичной обмотки. Следовательно, отношение ЭДС в первичной ℰ₁ =   и вторичной ℰ₂ =   обмотках равно отношению числа витков в них:

ℰ1:ℰ2=,

(1)

где e — значение ЭДС индукции в одном витке.
Вследствие малости электрических сопротивлений обмоток,  напря­жения на них можно считать:

Из соотношения (2) следует:

,

(3)

т. е. значение напряжения U₂ на вторичной обмотке пропорционально зна­чению напряжения U₁ на первичной обмотке.
Как следует из выражения (3), в зависимости от отношения числа витков в обмотках напряжение U₂ может быть как больше напряжения U₁ (трансформатор повышающий), так и меньше его (трансформатор понижающий).
Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной катушки к числу витков вторичной:

(4)

Как следует из соотношения (4), при k > 1 напряжение на вторичной обмотке будет меньше напряжения на первичной ( U₂<U₁) . Значит, в этом случае трансформатор будет понижающим. Соответственно, при k < 1 трансформатор будет повышающим. 

Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:

Рабочим ходом (режимом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка. Включение нагрузки во вторичную цепь трансформатора приводит к появлению в ней тока. Согласно правилу Ленца магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, стремится скомпенсировать изменение магнитного потока через витки вторичной обмотки, а значит, и через витки первичной обмотки. Это приводит к тому, что после включения нагрузки действующее значение силы тока в первичной обмотке увеличивается таким образом, чтобы суммарный магнитный поток через первичную обмотку достиг прежней величины.

Согласно закону сохранения энергии мощность тока, выделяемая в цепи вторичной обмотки трансформатора, поступает из цепи его первичной обмотки. Пренебрегая потерями энергии, связанными с нагреванием обмоток и работой на перемагничивание сердечника, которые в современных трансформаторах не превышают 2 %, можем записать, что мощности тока в цепях обеих обмоток трансформатора практически одинаковы:

.

Таким образом, повышая в несколько раз напряжение, во столько же раз мы уменьшаем силу тока.

Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае действующее значение тока во вторичной обмотке максимально и происходят электрическая и тепловая перегрузки системы.

При работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:

—  нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;

—  работа по перемагничиванию сердечника;

—  рассеяние магнитного потока.

Наиболее значительные энергетические потери при работе трансформатора обусловлены тепловым действием вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сердечнике при изменении магнитного потока.

Для уменьшения тепловых потерь сердечники (магнитопроводы) трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком). Такая конструкция сердечника позволяет значительно увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на его нагревание.

Для предотвращения перегрева мощных трансформаторов используется масляное охлаждение (рис. 67).

Современные трансформаторы являются уникальными устройствами, так как имеют очень высокие КПД (до 98 - 99 %), т. е. работают практически без потерь.

Вопросы к параграфу

1. Что называется трансформатором? Опишите устройство простейшего трансформатора.
2. На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?
3. Что называют коэффициентом трансформации?
4. Какой трансформатор называется повышающим? Понижающим?
5. Какая взаимосвязь между действующими значениями напряжения на входе и выходе трансформатора?
6. Какой режим работы трансформатора называется холостым ходом?
7. Чем отличается рабочий режим трансформатора от режима холостого хода?
8. Чем опасен режим короткого замыкания трансформатора?
9. Какая из обмоток трансформатора должна иметь большее сечение провода, если трансформатор: а) повышающий; б) понижающий?
10. Может ли трансформатор использоваться для преобразования постоянного тока?
11. Будет ли работать трансформатор, если его включить в цепь постоянного тока?

Пример решения задачи

Определите силу тока I₁ в первичной обмотке трансформатора, если напряжение на ее зажимах на ΔU = 1500 В выше, чем на вторичной обмотке. Сопротивление первичной обмотки R₁ = 35 Ом, коэффициент трансформации k = 20.

,

Тогда сила тока в первичной обмотке

.

Ответ : I₁ = 45 А.

Упражнение 8-1

1. Первичная и вторичная обмотки трансформатора содержат, соответственно, N₁=100  и  N₂=800 витков. Определите напряжение на вторичной обмотке трансформатора, если напряжение на его первичной обмотке U₁=220 В. Это повышающий или понижающий трансформатор? Во сколько раз он повышает (понижает) напряжение?
2. Определите КПД трансформатора, если напряжение на его первичной обмотке U₁=220 В и сила тока в ней I₁=0,50 А, а на вторичной обмотке —   U₂=12 В и I₂=7,5 А.
3. Определите число витков  N₂ во вторичной обмотке трансформатора, который повышает напряжение от значения U₁=22 В  до U₂=220 В. Число витков в первичной обмотке составляет N₁=600. Найдите коэффициент трансформации k. В какой катушке будет провод большего поперечного сечения?
4. В трансформаторе мощностью P=280 Вт выходное действующее значение напряжения U₂=6,0 В, а действующее значение силы тока в первичной обмотке — I₁=20 A. Какой это трансформатор — понижающий или повышающий? Во сколько раз k изменяется напряжение? Потерями в трансформаторе пренебречь.
5. Линия электропередачи имеет сопротивление R=200 Ом. При каком действующем значении Uд  напряжения идеального генератора  при передаче по этой линии к потребителю полезной мощности  P=20 кВт потери в линии будут составлять η=5,0 % от переданной мощности?
6. В радиоприемнике установлен трансформатор, имеющий две вторичные обмотки, действующее значения напряжения на первой U₂₁=4 В, а на второй — U₂₂=40 В. На первичной обмотке трансформатора, содержащей N₁=180 витков, действующее значение напряжения U₁=120 В. Найдите число витков  N₂₁ и N₂₂  во вторичных обмотках трансформатора.
7. Наиболее мощные современные трансформаторы имеют мощность P=1,50·10⁹ Вт. При этом они понижают напряжение от значения U₁=765 кВ до значения U₂=345 кВ. Чему равно действующее значение силы тока I_д1  в первичной обмотке? Во вторичной I_д2? Чему равна мощность потерь, если КПД такого трансформатора равен η=99,8?