О трансформаторах

Трансформатор - устройство, используемое для изменения напряжения и силы переменного тока.

Трансформаторы широко применяются в линиях электропередач, в распределительных и бытовых устройствах. Передача электроэнергии происходит с меньшими потерями при высоком напряжении и малой силе тока. Поэтому обычно линии электропередач высоковольтные. Вместе бытовые и промышленные машины требуют высокой силы тока и малого напряжения, поэтому перед употреблением электроэнергия превращается в низковольтную.

Трансформаторы характеризуются очень высоким коэффициентом полезного действия.

Впервые трансформаторы, как были продемонстрированы в 1882 году, хотя еще в 1876 году Яблочков использовал аналогичное устройство для созданных им осветительных устройств - «свечей Яблочкова».

В реальных трансформаторах энергия не передается от первичной цепи к вторичному без потерь. Существует ряд физических причин, которые предопределяют.

Одной из причин потерь является активное сопротивление обмоток. При протекании тока через трансформатор, он нагревается и отдает тепло окружению. При высокой частоте сопротивление увеличивается благодаря скин-эффекта и эффекта близости, которые уменьшают площадь сечения проводника, через который протекает ток.

Еще одна причина потерь - перемагничивания сердечника благодаря гистерезиса. Эти потери для конкретного вещества сердечника пропорциональны частоте и зависят от пикового потока магнитного поля через сердечник.

Другое причина потерь - токи Фуко. Переменное магнитное поле в сердечнике порождает переменное вихревое электрическое поле, которое вызывает дополнительные вихревые токи, тоже приводят к нагреванию. Для уменьшения токов Фуко сердечники изготовляют из тонких пластинок, поскольку потери, связанные с токами Фуко, обратно квадратично зависят от толщины материала.

Часть энергии теряется на механические колебания. Ферромагнитный материал сердечника расширяется и стискаеть в переменном магнитном поле благодаря явлению магнитострикции. Этим объясняется гудение трансформатора, сопровождающий его работу. Дополнительно, первичная и вторичная обмотка привлекаются и отталкиваются в переменном магнитном поле, заставляя также колебаться и корпус трансформатора.

Магнитный поток, выходящий за пределы сердечника, сам по себе не приводит к потере энергии, но он может приводить к появлению вихревых токов Фуко в металлических деталях корпуса и крепления, что тоже приводит небольшие потери энергии.

В общем, большие трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, до 98%. Трансформаторы с сверхпроводящих материалов могут увеличить этот коэффициент до 99,85%.

Потери в трансформаторах зависят от нагрузки. Потери без нагрузки обусловлены в основном сопротивлением обмоток, тогда как причиной потерь при полной нагрузке обычно гистерезис и вихревые токи. Потери при отсутствии нагрузки могут быть значительными, поэтому даже если к вторичной обмотке ничего не подключено, трансформаторы должны удовлетворять условиям экономичной работы. Конструирование трансформаторов с малыми потерями требует большого сердечника, высококачественной электрической стали, тонкого проводников, увеличивает начальные затраты, но окупается при экспуатации.