§ 29. Трансформатор

Однією з важливих переваг електричної енергії є до­сить зручна і проста передача її від генератора до спожи­вача. Передача електроенергії економічніша при незнач­них втратах її в проводах лінії електропередач і якомога менших матеріальних затратах на створення ліній пере­дачі електроенергії. Втрати енергії в проводах головним чином зв'язані з їх нагріванням під час проходження ними струму. Потужність струму, яка йде на нагрівання прово­дів лінії передачі, дорівнює— сила струму в лінії, R — опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах лінії передач: 1) зменшення опору проводів; 2) використання меншої сили струму. Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за раху­нок збільшення їх поперечного перерізу. Однак це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат не прийнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається змен­шенням сили струму.

Нехай, наприклад, необхідно передати електроенергію потужністю лінією, опір якої (такий

опір має двопровідна лінія передачі довжиною приблизно 150 км з мідного дроту діаметром 1 см), із втратами на нагрівання проводів лінії 1 %.У цьому

випадку потужність треба передавати струмом силою

Отже, напруга в лінії має бути

Цейприклад показує, що для передачі великої потуж­ності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на високі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії при такій високій напрузі взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Електричні генератори бу­дують на напругу 6—25 тис. вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги пере­творюють у струм низької напруги (110, 220, 380 В і т. д.).

Розглянемо будову і принцип дії трансформатора. Най­простіший трансформатор складається з двох котушок (обмоток), надітих на замкнуте залізне осердя (мал. 72). Одна із обмоток — первинна — вмикається до джерела змінної напруги. При проходженні цією обмоткою змін­ного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує в кожному витку первинної обмотки ЕРС

індукції. Оскільки магнітний потік існує практич-

но лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції

такожі.

Отже, якщо первинна обмотка має ті\ витків, а вто­ринна, то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні кількості витків у них:

(29.1)

Відношення к називають коефіцієнтом трансформації. Коефіцієнт трансформації визначається під час холостого ходу трансформатора, тобто при розімкнутому колі вто­ринної обмотки.

Під час холостого ходу в первинній обмотці йде струм холостого ходу. Сила струмухолостого ходу мала (ста­новить приблизно 5 % номінальної), внаслідок чого малий спад напруги в первинній обмотці, і ЕРС самоіндукції в первинній обмотці дорівнює напрузі на затискачах кола . Коло вторинної обмотки розімкнуте, внаслідок чого в ньому немає струму, і напруга на затискачах вто­ринної обмотки дорівнює індукованій в ній ЕРС Тому

(29.2)

У підвищувальному трансформаторі коефіцієнт транс­формації (відповідно), в знижувальному . Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка використовується як первинна.

Увімкнемо до вторинної обмотки споживач електро­енергії, або, як кажуть, навантажимо трансформатор. У вторинній обмотці виникне змінний струм(такої са­мої частоти). Цей струм створює в осерді магнітний потік, напрямлений за правилом Ленца назустріч потоку первин­ної обмотки. Ослаблення магнітного потоку в осерді веде до зменшення ЕРС самоіндукціїв первинній обмотці, що (при постійній U\) викликає зростання сили струму в первинному колі. Це збільшення сили струму веде до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинній обмотці. Однак збільшення сили струму у вто­ринній обмотці супроводжується збільшенням сили стру­му самоіндукції і, отже, зменшенням магнітного потоку (який щойно зростав). Зменшення магнітного потоку в пер­винній обмотці веде до зменшення ЕРС самоіндукції, нового збільшення сили струму в первинній обмотці і магнітного потоку і т. д.

В результаті при постійному навантаженні встанов­люється певний магнітний потік Ф, ЕРС індукціїу вто­ринній обмотці і сила струмув первинній обмотці.

Під час навантаження трансформатора відбувається передача енергії із первинної обмотки у вторинну. За зако­ном збереження і перетворення енергії потужність струму у вторинному колі менша від потужності у первинному на величину втрат потужності в трансформаторі:

. Оскільки ККД трансформатора дуже близький до 1, то для наближених розрахунків можна нехтувати втратами потужності в трансформаторі і вважати або. Звідси знайдемо

(29.3)

Відношення сили струму у вторинній обмотці до сили струму в первинній обернено пропорційне напругам на обмотках і дорівнює величині, оберненій коефіцієнтові трансформації.

При збільшенні навантаження понад розраховану ге­нератор не забезпечує постійності напруги на первинній обмотці, знижується напруга на вторинній обмотці.

У різних галузях електротехніки і на виробництві ши­роко використовуються трансформатори від мініатюрних до величезних розмірів великої потужності.

Для кіл невеликої потужності іноді вторинною обмот­кою трансформатора роблять частину первинної або, навпа­ки, частину вторинної обмотки — як первинну. В цьому випадку трансформатор називають автотрансформатором. Один з контактів автотрансформатора часто роблять рухомим, що дає можливість плавно змінювати вихідну напругу.

? 1. Чому для передачі великих потужностей використовують змінний струм високої напруги? 2. На якому принципі грунтується робота транс­форматора? Чи можна трансформувати постійний струм? 3. Що таке коефіцієнт трансформації? 4. Поясніть принцип роботи навантаженого трансформатора. 5. Як здійснюється передача електроенергії на великі відстані?

Вправа 4

1. Трансформатор з коефіцієнтом трансформації знижує напругу з 10 000 В до 800 В. При цьому у вторинній обмотці йде струм силою 1г— 2 А. Визначити опір вторинної обмотки. Втратами енергії в первинній обмотці нехтувати.

2. Для трансляції радіопередач застосовують трансформатор, який знижує напругу з 480 до ЗО В. Визначити споживану трансформатором потужність, якщо його ККДі до нього увімкнуті 380 репродук­ торів, через кожний з яких проходить струм силою

3. Знижувальний трансформатор з коефіцієнтом трансформації k— 24 увімкнено в коло з напругою 120 В. Вторинну котушку трансфор­ матора приєднано до приладу, яким йде струм силою. Визна­ чити опір приладу, якщо опір вторинної котушки трансформатора

4. Первинна обмотка силового трансформатора для живлення кіл радіоприймача має Лі= 1200 витків. Яку кількість витків повинна мати вторинна обмотка трансформатора для живлення нитки розжарення кенотрона (необхідна напругаі сила струму 7з= 1 А), вважаю­ чи, що опір цієї обмотки, а напруга в колі £/=» 120 В?

§ ЗО. Передача і використання електричної