Передача электроэнергии

Трансформаторы. Вы приобрели холодильник ЗИЛ. Продавец вас предупредил, что холодильник рассчитан на напряжение в сети 220 В. А у вас в доме сетевое напряжение 127 В. Безвыходное положение? Ничуть. Просто придется сделать дополнительную затрату и приобрести трансформатор.

Трансформатор — очень простое устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым 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 усовершенствованные трансформаторы.

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.

Рис.1 Рис.2

Схема устройства трансформатора с двумя обмотками при­ведена на рисунке 2, а принятое для него условное обозначе­ние — на рис. 3.

Действие трансформтора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:

е = - Δ Ф/ Δ t

Если Ф = Ф0 соsωt, тое = ω Ф0 sin ω t, илие = E 0 sin ω t,где E 0 = ω Ф0 - амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная ЭДС индук­ции e 1 равна п1 е.

Во вторичной обмотке полная ЭДС. е2 равна п2 е, где п2 - чис­ло витков этой обмотки.

Отсюда следует, чтоe 1 е2 = п1 п2. (1)

Сумма напряжения u 1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e 1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u 1 + e 1 = i 1 R 1, где R 1 - активное сопротивление обмотки, а i 1 - сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и членом i 1 R 1 можно пренебречь. Поэтому

u 1 ≈ -e 1. (2)

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение:

u 2 ≈ - e 2. (3)

Так как мгновенные значения ЭДС e 1 и e 2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением действующих значений E 1 и E 2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений U1 и U2.

U1 /U2 = E 1 / E 2 = n 1 / n 2 = k. (4)

Величина k называется коэффициентом трансформации. Ес­ли k >1, то трансформатор является понижающим, при k <1 - повышающим.

При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u 2 ≈ - e 2 уже не выполняется точно, и соответственно связь между U1 и U2 становится более сложной, чем в уравнении (4).

Согласно закону сохранения энергии, мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи:

U1 I 1 = U2 I 2, (5)

где I 1 и I 2 — действующие значения силы в первичной и вторичной обмотках. Отсюда следует, чтоU1 /U2 = I 1 / I 2. (6)

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Вследствие неизбежных потерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения (5) и (6) выполняются приближенно. Однако в современных мощных транс­форматорах суммарные потери не превышают 2—3%.

В житейской практике часто приходится иметь дело с трансформаторами. Кроме тех трансформаторов, которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что промышленные приборы рассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, — кроме них приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина — это повышающий трансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокое напряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя. Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагревание трансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот.

Для сварочных аппаратов требуются понижающие трансформаторы. Для сварки нужны очень сильные токи, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток.

Вы, наверное, обращали внимание, что сердечник трансформатора изготовляют из тонких листиков стали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразовании напряжения. В листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем в сплошном.

Дома вы имеете дело с маленькими трансформаторами. Что же касается мощных трансформаторов, то они представляют собой огромные сооружения. В этих случаях сердечник с обмотками помещен в бак, заполненный охлаждающим маслом.