|
|
|
|
|
Глава 3. Производство, передача, распределение и использование электрической энергии
3.3. Трансформатор
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 трансформатораТрансформатор 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 трансформатораДействие 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 = Um1 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 = Фm sin ωt, (3.3.3) где Фm — 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' = Фmω cos ωt, (3.3.5) поэтому е = -ωФm cos ωt, или е = - Здесь 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
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.
|
m cos cot. (3.3.6)
|
|