ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ. ТРАНСФОРМАТОРЫ

11.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

До сих пор мы не касались вопроса о том, как получаются напряжения, достаточно высокие для питания линий передач. Генераторы типа показанного на рис. 5.1 не годятся для этой цели, так как при наличии вращающихся частей трудно обеспечить надежную изоляцию находящихся под высоким напряжением проводников. Возникает ответственная задача — преобразовать вырабатываемую генератором электромагнитную энергию в электромагнитную же энергию, но при более высоком напряжении. Простейшим решением этой задачи является применение трансформаторов.

Возьмем один виток проволоки и присоединим его к источнику переменного напряжения. Возникший в витке ток создает вокруг себя магнитное поле. Мы можем распорядиться направлением линий этого поля по своему усмотрению, создав для них стальной магнитопровод. Ничтожное число магнитных линий, замыкающихся помимо стали в воздухе, можно не принимать во внимание. Получится схема, показанная на рис. 11.1.

Добавив еще один виток, расположим его так, чтобы он полностью охватывал магнитный поток стального сердечника, и изолируем его от первого витка. Оба витка будут вполне самостоятельными электрическими цепями. Связь между ними осуществляется исключительно магнитным полем.

Всякое изменение тока в первом витке вызовет изменение магнитного потока. Закон электромагнитной индукции утверждает, что изменение магнитного потока обусловливает появление индуктивного напряжения. Это справедливо как для первого витка, так и для второго, ибо они пронизываются одним и тем же магнитным потоком.

Рис. 11.1. Первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют по одному витку. Напряжения на концах обеих обмоток одинаковы

Очевидно, что и направление индуктивного напряжения будет одинаковым в обоих витках.

Изменить ток в первом витке можно самыми различными способами. Здесь мы питаем первый виток от генератора переменного напряжения, получая, таким образом, переменный ток и переменный магнитный поток.

Обратимся ко второму закону Кирхгофа. Напряжение генератора (его ЭДС) должно быть уравновешено напряжением в цепи. В нашей цепи падение напряжения обусловлено двумя причинами: во-первых, наличием сопротивления у витка и, во-вторых, изменением магнитного потока, т. е. появлением ЭДС самоиндукции. Влияние сопротивления витка невелико, и падение напряжения, вызванное им, составит незначительную часть генераторного напряжения. Таким образом, напряжение генератора почти полностью уравновесится напряжением, наведенным в первом витке.

Что же будет происходить во втором витке? Попытаемся применить и к нему второй закон Кирхгофа. Цепь, правда, не замкнута, но это — не препятствие к применению закона Кирхгофа, а лишь осложнение.

Мы знаем, что наведенное во втором витке напряжение немногим отличается от генераторного. Спрашивается, чем оно будет уравновешено? Тока в цепи нет: она разомкнута. Но на концах витка, на его зажимах, будет существовать напряжение, в точности равное наведенному.

Напрашивается сравнение между вторым витком нашей схемы и холостым ходом генератора или даже аккумуляторной батареи, к которой не присоединено никакой нагрузки. Оба эти случая характеризуются тем, что на концах разомкнутой цепи мы имеем напряжение (ЭДС).

Присоединив к свободным концам какую-нибудь нагрузку и замкнув тем самым цепь, мы получаем ток, а следовательно, и потребление энергии. Что же получится в этом случае?

Прежде чем ответить на этот вопрос, обратим внимание на ту двойственную роль, которую играет в нашей схеме наведенное напряжение. В первом витке, т. е. в цепи, где находится источник энергии, наведенное магнитным потоком напряжение выполняет примерно ту же роль, что и. сопротивление, — препятствует протеканию тока в цепи. Прямо противоположную картину мы имеем во втором витке: там напряжение, наведенное тем же самым магнитным протоком, является уже источником напряжения, к которому можно присоединить нагрузку. Попутно отметим, что величина напряжения в обоих витках оказывается одинаковой,

А теперь замкнем второй виток хотя бы через лампу накаливания, рабочее напряжение которой соответствует напряжению между, разомкнутыми концами витка. Опыт показывает, что она будет гореть. Сейчас же возникает вопрос, откуда взялась необходимая для ее горения энергия?

Единственным источником энергии является генератор. Но, во-первых, он находится в другой электрической цели, а во-вторых, непонятно, почему он стал отдавать энергию именно после того, как мы подключили нагрузку (лампу).

Генератор, который, быть может, находится вдали и от стального сердечника, и от лампы, «узнал», что мы замкнули цепь второго витка, «подсчитал», какая именно мощность нам требуется (лампу можно взять и на 50, и на 100 Вт), и каким-то непонятным образом начал снабжать нас энергией в требуемых количествах.

Все это объясняется чрезвычайно просто:

ток в цепи второго витка создал свое магнитное поле, которое налагается на магнитное поле тока первого витка. Мы знаем, что здесь возможны два случая: либо второе поле усилит первое, либо, наоборот, ослабит его. Вопрос этот решается в зависимости от того, как направлены оба тока.

Оба тока переменные, т. е. их направление меняется каждые полпериода. Поэтому сравнивать между собой их направления можно лишь для какого-то пусть произвольного, но все же одного и того же момента времени.

В лампах нет сдвига фаз между током и напряжением, а сопротивление витка (сейчас нас интересует второй виток) значительно меньше сопротивления лампы.

Если бы второй виток являлся генератором, то мы сказали бы, что ток лампы находится в фазе с генераторным напряжением. Применительно к нашей схеме мы скажем, что ток лампы находится в фазе, стало быть, одинаково направлен с тем напряжением, которое наведено во втором витке первоначальным магнитным потоком.

Но это же самое направление наведено и в первом витке, и направление его таково, что оно препятствует протеканию тока.

Одно и то же напряжение является причиной появления тока во втором витке и помехой для протекания тока в первом витке.

Значит, токи обоих витков имеют разные направления (если не в течение всего периода, то на протяжении большей его части). Отсюда чрезвычайно важный вывод:

нагрузочный ток второго витка стремится размагничивать железный сердечник.

Но попытка уменьшить магнитный поток будет пресекаться увеличением тока в первом витке. Действительно, если магнитный поток уменьшится, уменьшится и напряжение самоиндукции, а доля напряжения генератора, уравновешиваемая падением напряжения в омическом сопротивлении первой обмотки, должна возрасти. А это значит, что должен возрасти ток. Но если ток начнет возрастать, начнет возрастать и магнитный поток. В итоге в трансформаторе устанавливается равновесие намагничивающего действия первичной обмотки и размагничивающего действия вторичной, магнитный поток будет поддерживаться на уровне, приблизительно соответствующем холостому ходу, т. е. разомкнутому второму витку.

Итак, мы решили задачу передачи энергии из цепи в цепь, но от нас требуется умение повышать напряжение. С этой целью заменим второй виток схемы на рис. 11.1 обмоткой из двух витков, как показано на рис. 11.2.

Все наши рассуждения, примененные к одному витку старой схемы, остаются справедливыми для каждого из двух витков вторичной цепи новой схемы. Витки соединены последовательно, и их напряжения суммируются. На свободных концах получится напряжение вдвое большее, чем то, которым обладает каждой из витков в отдельности, и вдвое большее, чем мы имеем на генераторной (первичной) стороне. Задача повышения напряжения решена.

Добавим на первичной стороне еще один виток.

Рис. 11.2. Первичная обмотка трансформатора имеет один виток, вторичная — два. Напряжение на концах вторичной обмотки вдвое больше, чем на концах первичной

Рис. 11.3. Первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют по два витка. Обмотки имеют одинаковое напряжение. Магнитный поток оказывается вдвое меньше, чем в трансформаторе на рис. 11.1 и 11.2

Схематически это изображено на рис. 11.3.

Обе обмотки, и первичная и вторичная, будут состоять из двух витков каждая. Генераторное напряжение распределится поровну между обоими витками первичной обмотки. Напряжение, приходящееся на каждый виток, будет вдвое меньше, чем в схемах на рис. 11.1 и 11.2.

Следовательно, чтобы добиться равновесия, надо иметь в каждом витке вдвое меньшее индуктированное напряжение. Общая же величина индуктированного в обоих витках напряжения будет той же, что и в предыдущих схемах.

Оба витка пронизываются одним и тем же магнитным потоком. Так как каждый виток требует половинного значения индуктированного напряжения, то в стальном сердечнике (магнитопроводе) возникает магнитный поток, в 2 раза меньший, чем в тех схемах, где первичная обмотка состояла из одного витка. Это обстоятельство чрезвычайно важно, так как оно позволяет задавать нам по нашему выбору значения магнитной индукции в трансформаторе.

В самом деле, увеличивая число витков в первичной обмотке, мы уменьшаем величину магнитного потока, а следовательно, и магнитной индукции. Этот способ уменьшения магнитной индукции может оказаться выгоднее, чем увеличение сечения сердечника. Магнитную индукцию мы назначаем с таким расчетом, чтобы не допустить чрезмерных потерь в стали (§ 11.4). В результате КПД (отдача) современных крупных трансформаторов чрезвычайно высок, превышая иногда 99 % (теряется менее 1 % передаваемой мощности).

Теперь посмотрим, что будет происходить во вторичной обмотке. В каждом ее витке будет индуктироваться напряжение, равное напряжению одного витка первичной обмотки. Число витков в обеих обмотках одинаково. Одинаковыми будут первичное и вторичное напряжения.

Удалим один виток из вторичной обмотки. Получится схема, показанная на рис. 11.4 и отличающаяся от схемы на рис. 11.2 лишь тем, что генератор и нагрузка поменялись местами.

Явления в первичной обмотке ничем не будут отличаться от того, что мы имели в предыдущей схеме, но на концах вторичной обмотки мы получим половинное напряжение. Вместо того чтобы повысить напряжение, трансформатор понизил его.

Способность трансформатора понижать напряжение используется очень широко. Напряжение на приемном конце линии передачи может составлять и 100, и 200 кВ. К источнику столь высокого напряжения нельзя присоединить ни двигателей, ни ламп.

Рис. 11.4. Первичная обмотка трансформатора имеет два витка, вторичная — один виток. Напряжение на концах вторичной обмотки вдвое меньше, чем на первичной

Надо позаботиться о его снижении.

Подведем итог всем нашим рассуждениям. Необходимое для передачи энергии преобразование напряжения может осуществляться лишь при помощи переменного тока. Постоянный ток непригоден для этой цели, так как он создает постоянный магнитный поток, который не индуктирует необходимого напряжения. Это преимущество переменного тока перед постоянным настолько важно, что мы, хотя и неохотно, все же миримся с присущими переменному току недостатками вроде сдвига фаз между напряжением и током.

Любой виток обеих трансформаторных обмоток имеет одно и то же напряжение. Отношение числа витков (оно также называется коэффициентом трансформации) будет в то же время отношением напряжений обмоток, Если число витков первичной обмотки меньше числа витков вторичной обмотки, то трансформатор будет повышающим. В понижающем трансформаторе первичная обмотка имеет большее количество витков.

Забираемая от генераторов энергия почти полностью передается во вторичную цепь. Если не считаться с наличием потерь в трансформаторе, то можно приравнять друг другу мощности первичной и вторичной цепей. Отсюда мы сделаем вывод, что понижение трансформатором напряжения приводит к соответственному увеличению тока, и наоборот.