3.14. Трансформаторы

В настоящее время в технике, наряду с постоянным током, широко используется и переменным ток. Напряжение постоянного тока, применяемого в линиях электропередачи, для питания различных электронных схем, электродвигателей, научились преобразовывать в широких пределах. Важное преимущество переменного тока над постоянным током состоит в том, что напряжение переменного тока можно достаточно легко повышать или понижать практически без потерь энергии. Трансформаторы – это приборы, при помощи которых преобразуется напряжение переменного тока. Принцип работы трансформаторов, так же как и генераторов, основан на законе электромагнитной индукции.

Трансформатор пред­став­ляет собой две обмотки, нави­тые на один и тот же железный (ферромагнит­ный) сердечник (рис. 3.23). Концы первой об­мот­ки с сопротивлением под­клю­ча­ют­ся к источнику пе­ре­менного тока с напряжением. Эта обмотка называется пер­вичной. К концам второй об­мотки, на которых создаётся пе­ременное напряжение, подключается нагрузка с сопротивлением, потребляющая электроэнергию. Эта обмотка называется вторичной. Если, трансформатор называется повышающим. Если, трансформатор называется понижающим. Отношение напряжения сети к напряжению на нагрузке называется коэффициентом трансформации:.

Проанализируем работу трансформатора. При подключении первичной обмотки к сети переменного напряжения по ней течет переменный ток, создающий в обмотке переменное магнитное поле и переменный магнитный поток. В результате в первичной обмотке, наряду с электродвижущими силами генератора (величиной ) действуют электродвижущие силы самоиндукции. Закон Ома для первичной цепи имеет вид

,

откуда следует:

. (3.33)

Величина ЭДС самоиндукции в первичной обмотке может быть представлена в виде:

, (3.34)

где  собственный магнитный поток первичной обмотки, в электротехнике этот суммарный магнитный поток через витки катушки называют потокосцеплением;  число витков в первичной обмотке,  поток через один виток.

Все линии магнитного поля, проходящие через витки первичной обмотки, проходят и через витки вторичной обмотки. Т.е. поток через один виток вторичной обмотки точно такой же, как поток через один виток первичной обмотки. Это происходит потому, что магнитное поле в ферромагнетиках значительно превышает магнитное поле в воздухе (см. п. 3.16) и все замкнутые магнитные силовые линии практически без рассеяния идут внутри общего для обмоток сердечника. Замкнутый ферромагнитный сердечник, являясь «проводником магнитный силовых линий», представляет собой замкнутую «магнитную цепь», внутри которой проходят все силовые линии. Таким образом, при изменении потока через виток первичной обмотки синхронно изменяется поток через виток вторичной обмотки и во вторичной обмотке возникнет ЭДС самоиндукции . В результате через нагрузкутечет ток и она потребляет энергию, первоначально взятую из сети. Однако напряжение на нагрузкеотличается от напряжения сети. Выведем выражение для коэффициента трансформации.

Поскольку во вторичной цепи действует только электродвижущая сила самоиндукции, закон Ома для этой цепи имеет вид: , откуда следует

. (3.35)

Величина ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке:

, (3.36)

где  собственный магнитный поток через витки вторичной обмотки.

Из уравнений (3.34) и (3.36) следует:

. (3.37)

Правая часть уравнения (3.35) представляет собой напряжение на нагрузке, поэтому:

. (3.35,а)

Сопротивление самой намотки обычно бывает малым. Поэтому, если считать, что сопротивление первичной намотки , из уравнения (3.33) получим:

, (3.33,а)

т.е. ЭДС самоиндукции в первичной обмотке равно по величине и противоположно по знаку электродвижущей силе сети. Учитывая равенства (3.33,а) и (3.35,а), из уравнения (3.37) получаем выражение для коэффициента трансформации:

. (3.38)

Коэффициент трансформации зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках. Если, например, в первичной обмотке 100 витков, а во вторичной 1000 витков, то трансформатор будет повышать напряжение в 10 раз.

Трансформаторы применяются для передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями. Для передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями напряжение в начале линии передачи нужно повысить, а в конце линии передачи перед потребителем понизить (рис. 3.24).

Пусть, например генератор имеет мощность Вт, которая определяется механической мощностью, затрачиваемой на раскрутку ротора, и является постоянной величиной. Например, мощность генератора гидроэлектростанции определяется мощностью потока воды, раскручивающей турбину, которая находится на одном валу с ротором. Предположим трансформатор повышает напряжение в линии доВ, а сопротивление проводов линииОм. Тогда сила тока в линии передачиА, и мощность, расходуемая на нагревание проводов,В. Потери мощности, расходуемой на нагревание проводов, составляютили 1%. Если, к примеру, уменьшить напряжение в линии доВ, то легко подсчитать, что потери мощности в линии составят уже 25%. Таким образом, для уменьшения потерь электроэнергию нужно передавать под возможно более высоким напряжением.

Итак, трансформаторы играют исключительную роль для преобразования в широких пределах напряжения переменного тока. Подобных простых и дешёвых способов трансформации напряжения постоянного тока до сих пор не существует.