§ 164. Трансформаторы.

При практическом использовании энергии электрического тока очень часто возникает необходимость изменять напряжение, даваемое каким-либо генератором. В одних случаях бывают нужны напряжения в тысячи или даже сотни тысяч вольт, в других необходимы напряжения в несколько вольт или несколько десятков вольт. Осуществить такого рода преобразования постоянного напряжения очень трудно, между тем переменное напряжение можно преобразовать – повышать или понижать – весьма просто и почти без потерь энергии. В этом заключается одна из основных причин того, что в технике пользуются в подавляющем большинстве случаев переменным, а не постоянным током.

Приборы, с помощью которых производится преобразование напряжения переменного тока, носят название трансформаторов. Принципиальная схема устройства трансформатора показана на рис. 309. Всякий трансформатор имеет железный сердечник, на который надеты две катушки (обмотки). Концы одной из этих обмоток подключаются к источнику переменного тока, например к городской сети, с напряжением ; нагрузка, т. е. те приборы, которые потребляют электрическую энергию, подключается к концам второй обмотки, на которых создается переменное напряжение , отличное от . Обмотка, подключенная к источнику тока, называется первичной, а обмотка, к которой подключена нагрузка, – вторичной. Если напряжение на первичной обмотке (напряжение источника) больше, чем на вторичной, т. е. , то трансформатор называется понижающим; если же , то он называется повышающим.

Рис. 309. Схема устройства трансформатора

Когда мы подключаем трансформатор к источнику переменного тока, например к городской сети, то проходящий по первичной обмотке переменный ток создает переменное магнитное поле, одна из линий которого показана штриховой линией на рис. 309. Так как обе обмотки надеты на общий железный сердечник, то почти все линии этого поля проходят через обмотки. Иначе можно сказать, что обе обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком. При изменении этого потока в каждом витке обмоток, как первичной, так и вторичной, индуцируется одна и та же э. д. с. с. Полная же индуцированная э. д. с. , возникающая в каждой обмотке, равна произведению э. д. с. на число витков в соответствующей обмотке. Если первичная обмотка имеет витков, а вторичная – витков, то индуцированные в них э. д. с. равны соответственно и , т. е.

. (164.1)

При так называемом холостом ходе трансформатора, т. е. тогда, когда к концам вторичной обмотки не подключена никакая нагрузка и через нее не идет ток, напряжение на концах вторичной обмотки равно индуцированной в ней э. д. с. (§81). Что же касается э. д. с. , индуцированной в первичной обмотке, то она по правилу Ленца (§ 139) всегда направлена противоположно приложенному к ней внешнему напряжению и при холостом ходе почти равна ему.

Действительно, мы видели (§ 162), что напряжение на участке цепи, содержащем активное сопротивление и индуктивность ,

Но при холостом ходе трансформатора его индуктивность настолько велика, что активным сопротивлением можно пренебречь по сравнению с индуктивным, т. е. можно считать . При этом

Таким образом, отношение напряжений на зажимах обмоток трансформатора при холостом ходе приближенно равно отношению индуцированных в них э. д. с.:

. (164.2)

Это отношение называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой :

. (164.3)

Если, например, первичная обмотка имеет 2500 витков, а вторичная – 250 витков, то коэффициент трансформации равен 10. Подключив первичную обмотку к источнику с напряжением В, мы на вторичной обмотке получим напряжение В. Если бы мы, наоборот, использовали в качестве первичной обмотку с меньшим числом витков и подключили ее к источнику с напряжением В, то коэффициент трансформации был бы равен 0,1, и на концах другой обмотки мы получили бы напряжение В. В первом случае наш трансформатор работает как понижающий, во втором – как повышающий.

164.1. Первичная катушка трансформатора имеет 1000 витков. На тот же сердечник надеты четыре вторичные катушки с числами витков 250, 500, 1500 и 10 000. Какое напряжение будет на зажимах каждой катушки, если на первичную подать 220 В?

164.2. На рис. 310 изображен так называемый автотрансформатор. Это катушка, надетая на железный сердечник и имеющая ряд отводов через определенное число витков. Пусть между зажимами 1 и 2 находится 100 витков, между 2 и 3 – 200, между 3 и 4 – 300 и между 4 и 5 – 400. К зажимам 1 и 3 подается напряжение 220 В. Какое напряжение будет между зажимами 1 и 2, 1 и 4, 1 и 5, 2 и 3, 2 и 4, 2 и 5, 3 и 4, 3 и 5, 4 и 5?

Рис. 310. К упражнению 164.2

Рассмотрим подробнее, как работает трансформатор. При холостом ходе, когда тока в цепи вторичной обмотки нет и мощность в ней не расходуется, в цепи первичной обмотки действует напряжение, равное разности между приложенным напряжением сети и противоположно направленной индуцированной э. д. с. . Напряжение создает в цепи первичной обмотки некоторый ток холостого хода , мощность которого представляет собой бесполезную потерю: она расходуется на нагревание обмотки проходящим по ней током (потери в меди) и на нагревание сердечника, вызываемое токами Фуко и его многократным перемагничиванием (потери в железе). Однако при правильном расчете трансформатора эти потери невелики, и ток холостого хода составляет лишь несколько процентов оттока в первичной обмотке при полной нагрузке трансформатора, т. е. при той нагрузке, на которую он рассчитан.

Когда мы подключаем к вторичной обмотке нагрузку, в цепи ее идет ток и выделяется соответствующая мощность. Напряжение на концах вторичной обмотки уже не будет точно равно , а будет несколько меньше, но если нагрузка не превышает той нормы, на которую трансформатор рассчитан, то это уменьшение очень незначительно: оно составляет 2-3% от напряжения холостого хода. При этом, очевидно, должен возрасти и ток в первичной обмотке , и вместе с ним мощность, отбираемая трансформатором из сети. Чем больше нагрузка вторичной обмотки (ток ), тем больше должен становиться и ток .

Трансформаторы рассчитываются так, чтобы при нормальной их нагрузке, когда током холостого хода можно пренебречь по сравнению с рабочим током , токи в первичной и вторичной обмотках были приблизительно обратно пропорциональны соответствующим напряжениям:

. (164.4)

Поэтому, если напряжение во много раз меньше, чем , во вторичной цепи такого понижающего трансформатора можно получить очень большие токи. Такие трансформаторы применяются при электросварке. На рис. 311 для примера показан понижающий трансформатор, вторичная обмотка которого имеет всего один виток. Напряжение здесь очень мало, но ток во вторичной обмотке настолько велик, что он нагревает до красного каления толстый медный стержень.

Рис. 311. Понижающий трансформатор, дающий очень большой ток

164.3. Во вторичной обмотке трансформатора ток равен 0,22 А, а напряжение на зажимах равно 2400 В. Каков ток в первичной обмотке, если входное напряжение равно 220 В?

Ток холостого хода трансформатора , как мы уже отмечали, очень мал. Это означает, что сопротивление первичной обмотки очень велико. Это сопротивление обусловлено почти полностью большой индуктивностью первичной обмотки ненагруженного трансформатора; ее активным сопротивлением можно пренебречь по сравнению с индуктивным сопротивлением . Когда мы включаем нагрузку, то переменный ток , проходящий по вторичной обмотке, сам создает в сердечнике переменное магнитное поле и индуцирует в первичной обмотке некоторую дополнительную э. д. с., которая по правилу Ленца направлена противоположно э. д. с. , т. е. уменьшает ее. При этом действующее в цепи первичной обмотки напряжение возрастает, а стало быть, возрастает и ток через эту обмотку .

Можно сказать, что действие магнитного поля тока вторичной обмотки уменьшает индуктивное сопротивление первичной обмотки, что и приводит к возрастанию в ней тока.

Мы видим, что ненагруженный или мало нагруженный трансформатор представляет собой для сети почти чисто индуктивное сопротивление, т. е. его коэффициент мощности очень мал. По мере возрастания нагрузки коэффициент мощности возрастает и для трансформатора, нагруженного на ту мощность, на которую он рассчитан, становится близким к единице. Поэтому в целях улучшения общего коэффициента мощности сети очень важно распределять нагрузку по различным трансформаторам так, чтобы они были по возможности полностью нагружены, и не оставлять включенных в первичную сеть трансформаторов без нагрузки или с очень малой нагрузкой.

Трансформатор представляет собой, как мы видим, прибор, передающий энергию из цепи первичной обмотки в цепь вторичной. Эта передача неизбежно связана с некоторыми потерями – расходом энергии на нагревание обмоток, на токи Фуко и на перемагничивание железа. К. п. д. трансформатора называют отношение мощности, потребляемой в цепи вторичной обмотки, к мощности, отбираемой из сети. Разность между этими величинами представляет собой бесполезную потерю.

Для уменьшения потерь энергии на нагревание сердечников токами Фуко их изготовляют из отдельных тонких листков стали, изолированных друг от друга (§ 143), а для уменьшения потерь на нагревание сердечника при его перемагничивании сердечники изготовляют из специальных сортов стали, в которых эти потери малы. Благодаря этому потери обычно весьма малы по сравнению с мощностью, преобразуемой в трансформаторах, и к. п. д. трансформаторов очень высок. Он достигает 98-99% для больших трансформаторов и около 95% для малых.

Трансформаторы для небольших мощностей (десятки ватт), применяющиеся главным образом в лабораториях и для бытовых целей, имеют очень небольшие размеры (рис. 312). Мощные же трансформаторы, преобразующие сотни и тысячи киловатт, представляют собой огромные сооружения. Обычно мощные трансформаторы помещаются в стальной бак, заполненный специальным минеральным маслом (рис. 313). Это улучшает условия охлаждения трансформатора, и, кроме того, масло играет важную роль как изолирующий материал. Концы обмоток трансформатора выводятся через проходные изоляторы, укрепленные на верхней крышке бака.

Рис. 312. Трансформатор для небольших мощностей. Для сравнения рядом поставлена спичечная коробка

Рис. 313. Мощный трансформатор с масляным охлаждением

Трансформатор был изобретен в 1876 г. П. Н. Яблочковым, который применил его для питания своих «свечей», требующих различного напряжения.