Трансформатор — это устройство для повышения или понижения переменного напряжения. Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, одна из которых называется первичной , а другая — вторичной . Обмотки трансформатора расположены на общем сердечнике из электротехнической стали; обычно он изготовляется наборным из листов для уменьшения потерь на вихревые токи.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение, возникающий в результате этого переменный магнитный поток возбуждает во вторичной обмотке (катушке) переменное напряжение той же частоты. Однако напряжение на обмотках будет различным в зависимости от числа витков в каждой из них.
Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции на вторичной обмотке равна
— скорость изменения магнитного потока. Напряжение U 1; подаваемое на первичную обмотку, также связано со скоростью изменения магнитного потока: где n 1 — число витков первичной обмотки. Это следует из того, что изменяющийся магнитный поток создает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, равную подаваемому напряжению U 1 , если активным сопротивлением обмотки можно пренебречь.
Разделив эти выражения одно на другое, получим:
Это уравнение трансформатора, показывающее, как напряжение на вторичной обмотке связано с напряжением на первичной обмотке. Если n 2 >n 1; то трансформатор повышающий, если n 2 l , то — понижающий.
Из закона сохранения энергии следует, что выходная мощность трансформатора не может превышать его входную мощность.
Грамотно сконструированный трансформатор может иметь КПД порядка 99%; столь низки потери энергии в нем. Таким образом, выходная мощность трансформатора практически равна входной, и, поскольку мощность равна р = IU, имеем:
Трансформатор может работать только на переменном токе.
Трансформаторы играют важную роль в передаче энергии на расстояние. Электростанции часто располагаются далеко от промышленных городов, гидроэлектростанции строятся на больших реках, для атомных электростанций требуется большое количество охлаждающей воды, тепловые электростанции тоже часто строят вдали от городов, чтобы уменьшить загрязнение воздуха.
В любом случае электроэнергию часто приходится передавать на большие расстояния, и в линиях электропередачи всегда неизбежны потери энергии.
Потери энергии можно уменьшить, если использовать в линиях электропередачи высокое напряжение.
Чем выше напряжение, тем меньше сила тока, и тем меньшая доля мощности теряется в линии электропередачи.
Рассмотрим следующую задачу: поселок потребляет электрическую мощность в среднем 120 кВт от электростанции, расположенной в 10 км. Полное сопротивление линии электропередачи равно 0,40 Ом. Следует определить потери мощности при напряжении на линии: а) 240 В; б) 24 000 В.
а) Если передать мощность 120 кВт при напряжении 240 В, то сила тока в линии составит
Потери мощности в линии достигнут
Свыше 80% общей мощности будет теряться в линии выделяться в виде тепла. то] б) При U = 24 000 В,
Меньше 1% общей мощности будет теряться в линии, если энергию передавать высоким напряжением.
Для использования переменного тока на производстве и в быту необходимо уметь изменять его параметры в соответствии с запросами того или иного потребителя. Для этого созданы специальные устройства, позволяющие повышать или понижать напряжение в электрической цепи. Как они устроены? Почему категорически запрещено находиться в помещении, предназначенном для работы только такого устройства?
Генераторы переменного тока создают в расчете на определенные значения напряжения. Для практического использования электрической энергии во всевозможных устройствах и приборах необходимы различные значения напряжений. Для этого используются трансформаторы (от лат. transformo — преобразую).
Первую модель (прототип) трансформатора создал в 1831 г. Майкл Фарадей, намотав на железное кольцо две изолированные обмотки, которые использовал в своих экспериментах. В 1878 г. русский ученый Павел Николаевич Яблочков впервые использовал трансформатор для изменения напряжения питания изобретенных им источников света — «электрических свечей».
Трансформатор (рис. 65, а) — это электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения с сохранением его частоты.
Трансформатор, увеличивающий напряжение, называют повышающим, а уменьшающий — понижающим. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора на электрических схемах показаны, соответственно, на рисунке 65 б, в.
Самый простой трансформатор состоит из двух обмоток (катушек), надетых на общий замкнутый сердечник (см. рис. 65, а). Обмотка трансформатора, на которую подается переменное напряжение, называется первичной, а обмотка, с которой снимается преобразованное переменное напряжение, — вторичной. Число витков в первичной обмотке трансформатора обозначим N1, а во вторичной — N2.
Обмотки трансформатора могут быть расположены на сердечнике различным образом (рис. 66).
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле, создаваемое переменным током в первичной обмотке (см. рис. 65, а), благодаря наличию замкнутого сердечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывает витки вторичной обмотки. Для этого сердечник изготовляется из специального (ферромагнитного) материала, что позволяет создаваемое током в обмотках поле практически полностью локализовать внутри сердечника. В результате магнитный поток практически существует только внутри сердечника и одинаков во всех сечениях. Это позволяет считать мгновенные значения магнитных потоков во всех сечениях сердечника одинаковыми.
Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС и на нее подается напряжение U1. Если пренебречь потерями магнитного потока в сердечнике, то согласно закону Фарадея ЭДС индукции, возникающая в каждом витке вторичной обмотке, будет такой же, как ЭДС индукции в каждом витке первичной обмотки. Следовательно, отношение ЭДС в первичной ℰ1 = и вторичной ℰ2 = обмотках равно отношению числа витков в них:
где e — значение ЭДС индукции в одном витке. Вследствие малости электрических сопротивлений обмоток, напряжения на них можно считать:
т. е. значение напряжения U2 на вторичной обмотке пропорционально значению напряжения U1 на первичной обмотке. Как следует из выражения (3), в зависимости от отношения числа витков в обмотках напряжение U2 может быть как больше напряжения U1 (трансформатор повышающий), так и меньше его (трансформатор понижающий). Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной катушки к числу витков вторичной:
Как следует из соотношения (4), при k > 1 напряжение на вторичной обмотке будет меньше напряжения на первичной ( U2
Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:
Рабочим ходом (режимом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка. Включение нагрузки во вторичную цепь трансформатора приводит к появлению в ней тока. Согласно правилу Ленца магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, стремится скомпенсировать изменение магнитного потока через витки вторичной обмотки, а значит, и через витки первичной обмотки. Это приводит к тому, что после включения нагрузки действующее значение силы тока в первичной обмотке увеличивается таким образом, чтобы суммарный магнитный поток через первичную обмотку достиг прежней величины.
Согласно закону сохранения энергии мощность тока, выделяемая в цепи вторичной обмотки трансформатора, поступает из цепи его первичной обмотки. Пренебрегая потерями энергии, связанными с нагреванием обмоток и работой на перемагничивание сердечника, которые в современных трансформаторах не превышают 2 %, можем записать, что мощности тока в цепях обеих обмоток трансформатора практически одинаковы:
Таким образом, повышая в несколько раз напряжение, во столько же раз мы уменьшаем силу тока.
Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае действующее значение тока во вторичной обмотке максимально и происходят электрическая и тепловая перегрузки системы.
При работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:
— нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;
— работа по перемагничиванию сердечника;
— рассеяние магнитного потока.
Наиболее значительные энергетические потери при работе трансформатора обусловлены тепловым действием вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сердечнике при изменении магнитного потока.
Для уменьшения тепловых потерь сердечники (магнитопроводы) трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком). Такая конструкция сердечника позволяет значительно увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на его нагревание.
Для предотвращения перегрева мощных трансформаторов используется масляное охлаждение (рис. 67).
Современные трансформаторы являются уникальными устройствами, так как имеют очень высокие КПД (до 98 — 99 %), т. е. работают практически без потерь.
Источник
Генератор переменного тока. Трансформатор
Урок 16. Физика 11 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
На одном из прошлых уроков мы с вами знакомились с переменным электрическим током и его свойствами. Мы узнали, что основная часть электроэнергии в мире вырабатывается с помощью электромеханических индукционных генераторов переменного тока, создающими синусоидальное напряжение.
Индукционным генератором переменного тока называется устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.
Напомним, что основными частями индукционного генератора переменного тока являются:
индуктор — это постоянный магнит или электромагнит, который создаёт магнитное поле;
якорь — это обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;
и колле́ктор — контактные кольца и скользящие по ним контактные пластины (щётки), с помощью которых ток снимается или подводится к вращающимся частям.
Вращающаяся часть индукционного генератора называется ротором, а неподвижная — статором.
Как вы знаете, электрический ток вырабатывается на различного рода электростанциях. А выработанная на них электроэнергия передаётся потребителю с помощью линий электропередач (сокращённо ЛЭП). Вроде бы всё просто, но тут есть несколько нюансов. Дело в том, что потребители электричества есть повсюду. А вот производится она в сравнительно немногих местах и, как правило, близко к источникам топливо- и гидроресурсов. Помимо этого электроэнергию невозможно законсервировать в огромных масштабах, поэтому она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому существует необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери энергии, так как ток, проходя по проводам линии, нагревает их. Энергия тока, идущая на нагревание проводов линии передачи, является потерянной энергией.
Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Но как это осуществить? Закон Джоуля — Ленца указывает на два различных пути решения этой проблемы. Один путь — уменьшить сопротивление проводов линии передачи. Это можно сделать, взяв провода с большим сечением. Выясним на примере осуществимо ли это практически.
Пусть на электростанции установлен генератор постоянного тока мощностью 200 кВт, создающий напряжение 120 В. Требуется передать вырабатываемую генератором энергию на расстояние 10 км от станции. Какого сечения нужно взять медные провода, чтобы потери в линии передачи не превышали 10 % от передаваемой мощности?
Практически это значит, что такой способ передачи энергии невозможен.
Другой путь, ведущий к уменьшению потерь энергии в линии передачи, заключается в уменьшении тока в линии передачи. Но при данной мощности уменьшение тока возможно лишь при увеличении напряжения. Пусть теперь та же мощность в 200 кВт передаётся при напряжении 12 кВ. Тогда сила тока в линии электропередач составит примерно 16,67 А (то есть в сто раз меньше, чем в предыдущем случае). Так как величина тока уменьшилась в сто раз, то при тех же потерях мощности в ЛЭП сопротивление линии передачи увеличится в 100 2 раз, то есть в 10 000. А вот сечение проводов в 10 000 раз уменьшиться и станет равным 4,86 мм 2 . Значит и вес меди, идущей на изготовление провода, уменьшится в те же 10 000 раз. Следовательно, передача энергии станет практически возможной.
Таким образом, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением. При этом чем длиннее линия передачи, тем более высокое напряжение в ней используется/
Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение тока, получаемого от генераторов, что осуществляется при помощи трансформаторов.
Трансформатор — это устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.
Днём рождения трансформатора переменного тока считается 30 ноября 1876 года — это дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочковым на устройство, предназначенное для питания изобретённых им же электрических свечей — нового в то время источника света.
В основе работы любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Рассмотрим схему простейшего трансформатора. Итак, он состоит из двух изолированных катушек (обмоток) с разным числом витков в них. Обмотки находятся на сердечнике, который состоит из отдельных стальных пластин, собранных в замкнутую раму той или иной формы.
Приложим к концам левой обмотки, которую мы будем называть первичной, переменное напряжение (от сети или генератора). По обмотке пойдёт переменный ток, который намагнитит сталь сердечника, создав в нём переменный магнитный поток. По мере нарастания тока будет расти и магнитный поток в сердечнике, изменение которого возбудит в витках катушки ЭДС самоиндукции, мгновенное значение которой равно первой производной магнитного потока через поверхность, ограниченную одним витком, по времени:
Переменный магнитный поток, возникающий в сердечнике трансформатора, пронизывает и витки вторичной обмотки, возбуждая в каждом из них такую же по величине ЭДС индукции, что и в каждом витке первичной обмотки.
Если первичная обмотка имеет N1 витков, а вторичная — N2 витков, то в обмотках индуцируются (без учёта потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно электродвижущие силы «ЭДС один» и «ЭДС два»:
Разделив почленно первое уравнение на второе, получим, что возникающие в катушках ЭДС индукции (самоиндукции) пропорциональны числу витков в них:
Обычно активное сопротивление обмоток катушек очень мало и им часто пренебрегают. Поэтому приложенное к концам первичной обмотки напряжение можно считать примерно равным возникающей в ней ЭДС самоиндукции, взятой с обратным знаком:
Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (это так называемый холостой ход трансформатора), то тока в ней нет, и напряжение на зажимах вторичной обмотки, равно индуцированной в ней ЭДС взятой с обратным знаком:
Мгновенные значения обеих ЭДС изменяются синфазно (то есть одновременно достигают максимумов и минимумов). Поэтому их значения можно заменить отношением действующих значений ЭДС или, учитывая предыдущие равенства, отношением действующих значений напряжений:
Величину К, равную отношению числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке, называют коэффициентом трансформации.
В том случае, когда нужно повысить напряжение, вторичная обмотка устраивается с большим числом витков (это повышающий трансформатор):
В случае же, когда надо понизить напряжение, вторичная обмотка трансформатора берётся с меньшим числом витков (это понижающий трансформатор):
Пока вторичная обмотка разомкнута, трансформатор работает вхолостую. При холостом ходе он потребляет небольшую энергию, так как ток, намагничивающий стальной сердечник вследствие большой индуктивности катушки, очень мал. Передача энергии из первичной цепи во вторичную при холостом ходе отсутствует.
Нагрузим наш трансформатор, замкнув через нагрузку цепь его вторичной обмотки (это так называемый рабочий ход трансформатора). В этом случае происходит непрерывная передача энергии из первичной обмотки трансформатора в его вторичную обмотку. При этом мощность, выделяемая в первичной цепи и выделяемая на нагрузке, будут определяться уравнениями, представленными на экране:
Напомним, что здесь cos φ определяет коэффициент мощности переменного тока. Зная мощности тока в первичной и вторичной цепи трансформатора, можно найти коэффициент полезного действия последнего:
Согласно закону сохранения и превращения энергии, мощность тока во вторичной цепи должна бы быть равна мощности в первичной цепи:
В действительности же это равенство не соблюдается, так как при работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на вихревые токи в сердечнике и на перемагничивание сердечника; однако потери эти невелики и сдвиги фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.
Поэтому трансформатор принадлежит к числу наиболее совершенных преобразователей энергии. А их коэффициент полезного действия достигает девяноста девяти процентов (99 %).
Иногда потерями в трансформаторе можно пренебречь и считать его КПД равным 100 %. Тогда из равенства мощностей первичной и вторичной цепи следует, что нагрузочные токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора обратно пропорциональны приложенным к ним напряжениям:
Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).
Для закрепления материала, решим с вами такую задачу. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 350 витков, включён в сеть с напряжением 220 В. Ко вторичной обмотке трансформатора, имеющей 155 витков, включён потребитель сопротивлением 80 Ом. Какова сила тока во вторичной цепи, если падение напряжения на потребителе равно 70 В? Чему равно сопротивление вторичной катушки?
В заключение отметим, что напряжение, вырабатываемое генераторами на различных электростанциях, обычно не превышает 20 кВ. В то время, как мы показали ранее, для оптимальной передачи электричества на большие расстояния требуется напряжение в несколько сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подаётся на расположенную неподалёку повышающую трансформаторную подстанцию, а затем — в линии электропередач. Но поскольку очень высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочерёдно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 В или 220 В. И лишь потом электроэнергию получают жилые дома и предприятия.
— скорость изменения магнитного потока. Напряжение U 1; подаваемое на первичную обмотку, также связано со скоростью изменения магнитного потока: 
где n 1 — число витков первичной обмотки. Это следует из того, что изменяющийся магнитный поток создает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, равную подаваемому напряжению U 1 , если активным сопротивлением обмотки можно пренебречь.
Для уменьшения тепловых потерь сердечники (магнитопроводы) трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком). Такая конструкция сердечника позволяет значительно увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на его нагревание.
