ТЕОРИЯ: ПОНЕМНОГУ - ОБО ВСЕМ
1.7. Трансформаторы и электрические сети.
Трансформатор имеет замкнутый магнитопровод (рис. 4,г, д) из материала с высокой относительной проницаемостью (трансформаторной стали, феррита) и содержит несколько обмоток. Магнитопроводы бывают кольцевые — для тороидальных трансформаторов — или набранные из пластин Ш-образной формы. Применяются также, например, в трансформаторах питания телевизоров, магнитопроводы из двух U-образных половинок с пришлифованными торцами. Они называются ленточными разрезными (серии ПЛ), поскольку наматываются из тонкой ферромагнитной ленты, смазанной клеем или лаком, а после высушивания разрезаются на две половинки, которые затем вставляются в катушку трансформатора и туго сжимаются.
На принципиальных схемах трансформаторы обозначают так, как показано на рис. 7. Первичная обмотка (I) присоединяется к источнику переменного тока (на постоянном токе трансформатор не работает!), обычно к электрической сети, и поэтому часто называется сетевой обмоткой. Для разбора принципа действия трансформатора предположим вначале, что к вторичным обмоткам (II, III) ничего не присоединено — это будет режим холостого хода.
Рис. 7
Через первичную обмотку потечет реактивный ток, намагничивающий сердечник трансформатора и равный напряжению сети, деленному на индуктивное сопротивление первичной обмотки. У правильно спроектированного трансформатора он не должен быть слишком большим, чтобы не вызывать бесполезный нагрев проводов, поэтому первичная обмотка должна иметь достаточное число витков. Очень часто из мнимой экономии берут малое количество витков, и тогда трансформатор гудит, греется и создает большие внешние поля рассеяния, т.е. электромагнитные помехи.
Реактивный ток холостого хода не вызывает потребления мощности из сети, другими словами, электрический счетчик от включенного на холостом ходу трансформатора крутиться не должен. Переменный магнитный поток сердечника по закону электромагнитной индукции создает на выводах всех обмоток переменное напряжение, пропорциональное их числу витков. На первичной обмотке это напряжение равно напряжению сети, а на вторичных обмотках может быть любым, в зависимости от числа витков. Соответственно и вторичные обмотки, а иногда и сам трансформатор, называют повышающими или понижающими. Универсальным показателем для всех обмоток служит число витков на один вольт напряжения.
Подключим теперь к вторичной обмотке (II) какую-либо нагрузку, например лампочку накаливания. Потечет активный ток, и лампочка загорится. Но магнитный поток в сердечнике существенно измениться не может, поскольку он определяется напряжением на первичной обмотке и числом ее витков. Значит, по первичной обмотке тоже потечет ток, компенсирующий магнитное поле тока вторичной обмотки. Этот ток потребляется из сети, и если отношение напряжений на вторичной и первичной обмотках равно коэффициенту трансформации n, то отношение токов составляет 1/n. Активная мощность в первичной и вторичной обмотках одинакова за вычетом небольших потерь в самом трансформаторе.
Поясним сказанное примером. Допустим, первичная обмотка имеет 2200 витков и подключена к сети напряжением 220 В, а вторичная — 125 витков. Значит, трансформатор намотан из расчета 10 витков на вольт, и напряжение на вторичной обмотке будет 12,5 В, т.е. трансформатор понижающий. Коэффициент трансформации составит n = 12,5/220 = 125/2200 = 0,056. Если лампа, подключенная к вторичной обмотке, потребляет 1 А, то в цепи первичной обмотки потечет ток только 0,056 А, или 56 мА. Мощность, потребляемая от сети, равна мощности лампы, т.е. 12,5 Вт. Таким образом, с помощью трансформатора можно понизить напряжение, увеличив ток нагрузки, либо, напротив, повысить напряжение, уменьшив ток.
Это свойство трансформатора широко используется при построении электрических сетей. Когда надо передать электроэнергию на большие расстояния, неизбежны потери в проводах, вызванные их активным сопротивлением R. Мощность потерь равна I2R, поэтому выгодно передавать одну и ту же мощность при высоком напряжении и малом токе, что и делают, строя повышающие и понижающие трансформаторные подстанции и высоковольтные линии электропередач.
Даже маленькая деревенька или один многоквартирный дом могут потреблять мощность 220 кВт. При напряжении сети 220 В ток составит 1000 А. Для передачи такого тока нужны кабели большого поперечного сечения. Перейдя на напряжение 22 кВ, мы получим ток всего 10 А, который можно передать по стандартному проводу диаметром 3 мм.
Радио, 1998
