Содержание

Главная >> Колебания и волны. Физика 11 кл. Мякишев

Глава 3. Производство, передача, распределение и использование электрической энергии

3.3. Трансформатор

ЭДС мощных генераторов электростанций обычно довольно велика (16—20 кВ). Между тем большинство потребителей электроэнергии рассчитано на низкое напряжение (127—380 В). При передаче электроэнергии на большие расстояния, наоборот, требуется высокое напряжение в несколько десятков, сотен или тысяч киловольт. Повышение и понижение напряжения довольно просто осуществить для переменного тока при помощи особых устройств — трансформаторов.

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым и изобретателем П. Н. Яблочковым (1847—1894) для питания изобретенных им «электрических свечей» — нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развита сотрудником Московского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшим более совершенные трансформаторы.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника-магнитопровода, на котором располагаются две или несколько обмоток, не имеющих между собой электрического контакта (рис. 3.2). Обмотка 1, к которой подводится электрическая энергия, называется первичной; обмотка 2, к которой присоединяются потребители электроэнергии 3 («нагрузка»), — вторичной.

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы изолируются друг от друга тонкой бумагой или лаком. Графическое обозначение трансформатора в электрических схемах показано на рисунке 3.3.

Холостой ход трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим вначале процессы в трансформаторе с незамкнутой вторичной обмоткой (режим холостого хода).

Пусть к первичной обмотке трансформатора приложено гармонически изменяющееся напряжение:

u₁ = U_m1 cos ωt.                     (3.3.1)

Под действием этого напряжения в первичной обмотке возникает переменный ток i₁. У реальных трансформаторов активное сопротивление первичной обмотки невелико по сравнению с ее индуктивным сопротивлением. Поэтому можно считать, что колебания силы тока i₁ отстают по фазе от колебаний напряжения u₁ на четверть периода, т. е. на π/2 (см. § 2.8):

Переменный магнитный поток, возбуждаемый током в первичной обмотке, совпадает по фазе с током и пронизывает витки обеих обмоток трансформатора:

Ф = Ф_m sin ωt,                     (3.3.3)

где Ф_m — амплитуда магнитного потока. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Переменный магнитный поток наводит в первичной и вторичной обмотках ЭДС. Мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки одинаково и согласно закону Фарадея равно

е = -Ф',                     (3.3.4)

где Ф' — производная потока магнитной индукции по времени. Из выражения (3.3.3) следует, что

Ф' = Ф_mω cos ωt,                     (3.3.5)

поэтому е = -ωФ_m cos ωt, или

е = -_m cos cot.                     (3.3.6)

Здесь _m = соФ_m — амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей N₁ витков, полная ЭДС индукции e = N₁e, а во вторичной обмотке с числом витков N₂ полная ЭДС е₂ = N₂e. Отсюда следует, что

Напряжение u₁ и ЭДС e₁ как вытекает из выражений (3.3.1) и (3.3.6), колеблются в противофазе:

u₁ = -е₁.                     (3.3.8)

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора тока в ней нет, поэтому имеет место соотношение

u₂ = -е₂.                     (3.3.9)

Мгновенные значения ЭДС е₁ и е₂ изменяются синфазно, т. е. в любой момент времени фазы их одинаковы. Поэтому отношение мгновенных ЭДС в формуле (3.3.7) можно заменить отношением амплитуд или действующих значений ₁ и ₂ этих ЭДС, а учитывая равенства (3.3.8) и (3.3.9), отношением действующих значений напряжений:

Величина К называется коэффициентом трансформации. При К > 1 трансформатор является понижающим, а при К < 1 — повышающим.

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора значение сдвига фаз между силой тока в первичной обмотке и подводимым к ней напряжением близко к π/2. Поэтому на холостом ходу трансформатор с малым активным сопротивлением первичной обмотки почти не потребляет энергии из сети.

Окончание параграфа >>>