72. ТРАНСФОРМАТОР

Передача электрической энергии.

Передача электрической энергии от электростанции на значительное расстояние до большого города или промышленного центра является сложной научно-технической проблемой.

Потери энергии на нагревание проводов прямо пропорциональны квадрату силы тока в линии электропередачи. Поэтому для уменьшения потерь необходимо уменьшить силу тока в линии. Мощность тока равна произведению силы тока на напряжение. Чтобы при уменьшении силы тока в линии не уменьшалась передаваемая мощность, следует увеличить напряжение во столько же раз, во сколько раз была уменьшена сила тока.

При высоком напряжении переменный ток передается на большие расстояния с малыми потерями, но для использования на промышленных предприятиях, транспорте, в быту необходимо понижение напряжения. Повышение и понижение напряжения переменного тока осуществляются трансформаторами.

Трансформатор.

Трансформатор был изобретен в 1878 г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым (1847—1894). Самый простой трансформатор переменного тока состоит из двух катушек.

Одна из катушек, концы которой подключаются к источнику переменного напряжения, называется первичной катушкой (обмоткой), другая — вторичной катушкой (обмоткой). При подключении выводов первичной катушки к источнику переменного

напряжения в катушке возникает переменный ток. Если напряжение изменяется со временем по гармоническому закону с частотой со, то по гармоническому закону с той же частотой происходят изменения силы тока в катушке и магнитного потока Ф, создаваемого этим током:

При изменениях магнитного потока в каждом витке провода первичной катушки возникает изменяющаяся по гармоническому закону ЭДС самоиндукции:

Произведение является амплитудой колебаний ЭДС в одном витке:

Если число витков в первичной катушке а ЭДС самоиндукции в одном витке равна то мгновенное значение ЭДС самоиндукции в первичной катушке равно

Вторичную катушку пронизывает тот же самый магнитный поток, который проходит через первичную катушку. При изменениях магнитного потока в каждом ее витке возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону, амплитуда изменений ЭДС индукции В одном витке имеет такое же значение, что и ЭДС самоиндукции в одном витке первичной катушки. Если число витков провода вторичной катушки то мгновенное значение ЭДС в ней равно

Отношение ЭДС самоиндукции в первичной катушке к ЭДС индукции во вторичной катушке равно отношению числа витков в первичной катушке к числу витков во вторичной катушке:

Если активное сопротивление провода первичной катушки мало по сравнению с его индуктивным сопротивлением, то приложенное напряжение и в любой момент времени примерно равно ЭДС самоиндукции, взятой с противоположным знаком.

При разомкнутой цепи вторичной катушки — режим холостого хода трансформатора напряжение на ее концах в любой момент времени равно ЭДС индукции взятой с противоположным знаком. Поэтому из выражения (72.3) следует, что

Это отношение называется коэффициентом трансформации

При трансформатор понижающий, при — повышающий.

При подключении нагрузки к концам вторичной катушки во вторичной цепи возникает переменный ток. Мощность тока в первичной и вторичной цепях, если пренебречь потерями, одинакова. Поэтому увеличение напряжения на выходе повышающего

трансформатора в К раз сопровождается уменьшением силы тока во вторичной катушке в К раз. Трансформаторы для преобразования переменных токов больших мощностей обладают высокими КПД, достигающими 98— 99,5%. Снижение КПД трансформатора обусловлено потерями энергии на нагревание проводов его обмоток и стального сердечника. Сердечник нагревается в результате перемагничивания и возникновения в нем вихревых индукционных токов. Для уменьшения вихревых токов сердечники трансформаторов обычно изготавливают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Это приводит к значительному увеличению электрического сопротивления сердечника и уменьшению потерь на его нагревание вихревыми токами.