§ 9. Пераўтварэнне пераменнага току. Трансфарматар

Для выкарыстання пераменнага току на вытворчасці і ў побыце неабходна ўмець змяняць яго параметры ў адпаведнасці з запытамі таго ці іншага спажыўца. Для гэтага створаны адмысловыя прылады, якія дазваляюць павялічваць ці паніжаць напружанне ў электрычным ланцугу. Якую будову яны маюць? Чаму катэгарычна забараняецца знаходзіцца ў памяшканні, прызначаным для працы толькі такой прылады?

Генератары пераменнага току ствараюць з разлікам на пэўныя зна­чэнні напружання. Для практычнага выкарыстання электрычнай энергіі ў разнастайных прыладах і прыборах неабходны розныя значэнні напружанняў. Для гэтага выкарыстоўваюцца трансфарматары (ад лац. transformo — пераўтвараю).
Першую мадэль (прататып) трансфарматара стварыў у 1831 г. Майкл Фарадэй, наматаўшы на жалезнае кольца дзве ізаляваныя абмоткі, якія выкарыстоўваў у сваіх эксперыментах. У 1878 г. рускі вучоны Павел Мікалаевіч Яблачкаў упершыню выкарыстаў трансфарматар для змянення напружання сілкавання вынайдзеных ім крыніц святла — «электрычных свечак».
Трансфарматар (мал. 65, а) — гэта электрамагнітная прылада, якая пераўтварае пераменны ток аднаго напружання ў пераменны ток іншага напружання з захаваннем яго частаты.

Трансфарматар, які павялічвае напружанне, называюць павышаючым, а які памяншае — паніжаючым. Схематычны відарыс і ўмоўнае абазначэнне трансфарматара на электрычных схемах паказаны, адпаведна, на малюнках 65, б, в.
Самы просты трансфарматар складаецца з дзвюх абмотак (шпуль), надзетых на агульны замкнуты стрыжань (гл. мал 65, а). Абмотка трансфарматара, на якую падаецца пераменнае напружанне, называецца першаснай, а абмотка, з якой здымаецца ператворанае пераменнае напружанне, — другаснай. Лік віткоў у першаснай абмотцы трансфарматара абазначым N₁, а ў другаснай — N₂.
Абмоткі трансфарматара могуць быць размешчаны на стрыжані розным чынам (мал. 66).

Прынцып дзеяння трансфарма­тара заснаваны на з’яве электрамагнітнай індукцыі. Магнітнае по­ле, якое ствараецца пераменным то­кам у першаснай абмотцы (гл. мал. 65, а), дзякуючы наяўнасці замкнутага стрыжня практычна без страт (без рассейвання) пранізвае віткі другаснай абмоткі. Для гэтага стрыжань вырабляецца са спецыяльнага (ферамагнітнага) матэрыялу, што дазваляе ствараемае токам у абмотках поле практычна цалкам лакалізаваць унутры стрыжня. У выніку магнітны паток практычна існуе толькі ўсярэдзіне стрыжня і аднолькавы ва ўсіх сячэннях. Гэта дазваляе лічыць імгненныя значэнні магнітных патокаў ва ўсіх сячэннях стрыжня аднолькавымі.
Няхай першасная абмотка трансфарматара падключана да крыніцы току з пераменнай ЭРС і на яе падаецца напружанне U₁. Калі не ўлічваць страты магнітнага патоку ў стрыжні, то згодна з законам Фарадэя ЭРС індукцыі, якая ўзнікае ў кожным вітку другаснай абмоткі, будзе такой жа, як ЭРС індукцыі ў кожным вітку першаснай абмоткі. Такім чынам, адносіна ЭРС у першаснай ℰ1 =    і другаснай ℰ2 =  
абмотках роўна адносіне ліку віткоў у іх:

ℰ1:ℰ2=,

(1)

дзе e — значэнне ЭРС індукцыі ў адным вітку.
З прычыны маласці электрычных супраціўленняў абмотак на­пружанні на іх можна лічыць:

З суадносіны (2) вынікае:

(3)

г. зн. значэнне напружання U₂ на другаснай абмотцы прапарцыянальна зна­чэнню напружання U₁ на першаснай абмотцы.
Як вынікае з выразу (3), у залежнасці ад адносіны ліку віткоў у абмотках напружанне U₂ можа быць як большым за напружанне U₁ (трансфарматар павышаючы), так і меншым за яго (трансфарматар
паніжаючы).
Тып трансфарматара вызначаецца каэфіцыентам трансфармацыі, роўным адносіне ліку віткоў першаснай шпулі да ліку віткоў другаснай:

(4)

Як вынікае з суадносіны (4), пры k > 1 напружанне на другаснай абмотцы бу­дзе меншым за напружанне на першаснай (U2<U1). Значыць, у гэтым выпадку трансфарматар будзе паніжаючым. Адпаведна, пры k < 1  трансфарматар будзе павышаючым.

Рэжымам халастога ходу трансфарматара называецца рэжым з разамкнутай другаснай абмоткай. У гэтым выпадку напружанне на другаснай абмотцы роўна індуцыруемай у ёй ЭРС:

Рабочым ходам (рэжымам) трансфарматара называецца рэжым, пры якім у ланцуг яго другаснай абмоткі ўключана некаторая нагрузка. Уключэнне нагрузкі ў другасны ланцуг трансфарматара прыводзіць да з’яўлення ў ім току. Згодна з правілам Ленца магнітны паток, ствараемы токам у другаснай абмотцы, імкнецца скампенсаваць змяненне магнітнага патоку праз віткі другаснай абмоткі, а значыць, і праз віткі першаснай абмоткі. Гэта прыводзіць да таго, што пасля ўключэння нагрузкі дзеючае значэнне сілы току ў першаснай абмотцы павялічваецца такім чынам, каб сумарны магнітны паток праз першасную абмотку дасягнуў ранейшай велічыні.

Згодна з законам захавання энергіі магутнасць току, якая вылучаецца ў ланцугу другаснай абмоткі трансфарматара, паступае з ланцуга яго першаснай абмоткі. Не прымаючы да ўвагі страты энергіі, звязаныя з награваннем абмотак і работай на перамагнічванне стрыжня, якія ў сучасных трансфарматарах не перавышаюць 2 %, можам запісаць, што магутнасці току ў ланцугах абедзвюх абмотак трансфарматара практычна аднолькавыя:

.

Такім чынам, павышаючы напружанне ў некалькі разоў, трансфарматар у столькі ж разоў памяншае сілу току.

Рэжымам кароткага замыкання называецца рэжым, пры якім другасная абмотка трансфарматара замкнута без нагрузкі. Дадзены рэжым небяспечны для трансфарматара, паколькі ў гэтым выпадку дзеючае значэнне току ў другаснай абмотцы максімальнае і адбываюцца электрычная і цеплавая перагрузкі сістэмы.

Пры рабоце трансфарматара заўсёды ёсць энергетычныя страты, звязанныя з такімі фізічнымі працэсамі, як:

— награванне абмотак трансфарматара пры праходжанні электрычнага току;

— работа па перамагнічванні стрыжня;

— рассеянне магнітнага патоку.

Найбольш значныя энергетычныя страты пры рабоце трансфарматара абумоўлены цеплавым дзеяннем віхравых токаў (токаў Фуко), якія ўзнікаюць у стрыжні пры змяненні магнітнага патоку.

Для памяншэння цеплавых страт стрыжні (магнітаправоды) трансфарматараў вырабляюць не з суцэльнага кавалка металу, а з тонкіх пласцін спецыяльнай трансфарматарнай сталі, падзеленых найтанчэйшымі слаямі дыэлектрыка (пласціны пакрываюць лакам). Такая канструкцыя стрыжня дазваляе значна павялічыць яго электрычнае супраціўленне, што прыводзіць да памяншэння страт на яго награванне.

Для прадухілення перагрэву магутных трансфарматараў выкарыстоўваецца масленае ахаладжэнне (мал. 67).
Сучасныя трансфарматары з’яўляюцца ўнікальнымі прыладамі, паколькі маюць вельмі высокія ККДз (да 98—99 %), г. зн. працуюць практычна без страт.

Пытаннi да параграфу

1. Што называецца трансфарматарам? Апішыце будову найпрасцейшага трансфарматара.
2. На якой фізічнай з’яве заснаваны прынцып дзеяння трансфарматара?
3. Што называюць каэфіцыентам трансфармацыі?
4. Які трансфарматар называецца павышаючым? Паніжаючым?
5. Якая ўзаемасувязь паміж дзеючымі значэннямі напружання на ўваходзе і выхадзе трансфарматара?
6. Які рэжым работы трансфарматара называецца халастым ходам?
7. Чым адрозніваецца рабочы рэжым трансфарматара ад рэжыму халастога ходу?
8. Чым небяспечны рэжым кароткага замыкання трансфарматара?
9. Якая з абмотак трансфарматара павінна мець большае сячэнне провада, калі трансфарматар: а) павышаючы; б) паніжаючы?
10. Ці можа трансфарматар выкарыстоўвацца для пераўтварэння пастаяннага току?
11. Ці будзе працаваць трансфарматар, калі яго ўключыць у ланцуг пастаяннага току?

Прыклад рашэння задачы

Вызначыце сілу току  у першаснай абмотцы трансфарматара, калі напружанне на яе заціскачках на вышэйшае, чым на другаснай абмотцы. Супраціўленне першаснай абмоткі , каэфіцыент трансфармацыі .

,

Тады сіла току ў першаснай абмотцы

.

Aдказ : I₁ = 45 А.

Практыкаванне 8-1

1. Першасная і другасная абмоткі трансфарматара змяшчаюць, адпаведна, N₁=100 і N₂=800 віткоў. Вызначыце напружанне на другаснай абмотцы трансфарматара, калі напружанне на яго першаснай абмотцы U₁=220 В. Гэта павышаючы ці паніжаючы трансфарматар? У колькі разоў ён павышае (паніжае) напружанне?

2.Вызначыце ККДз трансфарматара, калі напружанне на яго першаснай абмотцы U₁=220 В і сіла току ў ёй  I₁=0,50 А, а на другаснай абмотцы —U₂=12 В і I₂=7,5 А..

3. Вызначыце лік віткоў N₂ у другаснай абмотцы трансфарматара, які павышае напружанне ад значэння  U₁=22 В  да U₂=220 В . Лік віткоў у першаснай абмотцы складае N₁=600. Знайдзіце k каэфіцыент трансфармацыі . У якой шпулі будзе провад большага папярочнага сячэння?

4. У трансфарматары магутнасцю P=280 Вт выхадное дзеючае значэнне напружання U₂=6,0 В, а дзеючае значэнне сілы току ў першаснай абмотцы — I₁=20 A. Які гэта трансфарматар — паніжаючы ці павышаючы? У колькі разоў  змяняецца напружанне? Страты ў трансфарматары не ўлічваць.

5. Лінія электраперадачы мае супраціўленне R=200 Ом . Пры якім дзеючым значэнні U_д  напружання ідэальнага генератара пры перадачы па гэтай лініі да спажыўца карыснай магутнасці P=20 кВт страты ў лініі будуць складаць η=5,0 %  ад перададзенай магутнасці?

6. У радыёпрыёмніку ўсталяваны трансфарматар, які мае дзве другасныя абмоткі, дзеючае значэнне напружання на першай U₂₁=4 В, а на другой — U₂₂=40 В. На першаснай абмотцы трансфарматара, якая змяшчае N₁=180 віткоў, дзеючае значэнне напружання U₁=120 В. Знайдзіце лік віткоў  N₂₁ і  N₂₂ у другасных абмотках трансфарматара.

7. Найбольш магутныя сучасныя трансфарматары маюць магутнасць P=1,50·10⁹ Вт. Пры гэтым яны паніжаюць напружанне ад значэння U₁=765 кВ да значэння U₂=345 кВ. Чаму роўна дзеючае значэнне сілы току I_д1  у першаснай абмотцы? У другаснай I_д2? Чаму роўна магутнасць страт, калі ККДз такога трансфарматара роўны η=99,8?