Трансформаторы

Т. называются приборы, служащие 1) либо для преобразования электрических токов одного напряжения в токи другого напряжения, 2) либо для преобразования токов переменных в токи постоянные и обратно. Т. первого рода, т. е. Т. напряжении, устраиваются различно, в зависимости от того, предназначаются ли они для токов переменных или постоянных. Т., предназначаемые для переменных токов, состоят из железного сердечника, большею частью замкнутого, приготовленного из сложенных листов железа толщиной в 0,1 — 2 мм, между которыми проложены для изоляции листы бумаги. Эти прокладки ослабляют в сердечнике токи Фуко и тем уменьшают в нем потерю энергии, идущей на нагревание. На сердечнике помещаются две обмотки (фиг. 1) из медной проволоки.

Фиг. 1.

По одной из них, называемой первичной (I), пропускается ток, напряжение которого желают преобразовать. Этот ток называют током первичным. Проходя по обмотке, он намагничивает сердечник и, будучи переменным, вызывает образование в сердечнике переменного же магнитного потока. Этот поток пронизывает обороты проволоки вторичной (II) обмотки, в которой и индуктируется при этом переменный ток, называемый вторичным. Соотношение между напряжениями вторичного и первичного токов (т. е. между разностями потенциалов у концов вторичной и первичной обмоток) зависит от чисел витков проволоки в этих обмотках. Именно, если назвать первичное напряжение через Е₁, а вторичное через E₂, то с большим приближением всегда будет

E₂/E₁ = n₂/n₁,

где n₁ и п₂ числа витков проволоки в первичной и вторичной обмотках. Энергия, получаемая от динамо-машин и затрачиваемая в первичной обмотке, частью идет на образование вторичного тока, частью на нагревание обмоток и магнитного сердечника, происходящих вследствие существования токов Фуко и гистерезиса в сердечнике, и токов первичного и вторичного в обмотках. Эта часть энергии теряется, следовательно, даром и называется потерей энергии в Т. В хороших Т. потеря не превосходит 5 %, следовательно, почти вся энергия, затрачиваемая в первичной цепи, восстановляется во вторичной, т. е. приблизительно

E₁J₁ = E₂J₂

где Е₁ и E₂ — напряжения в этих цепях, a J₁ и J₂ — силы тока в них. Отсюда следует, что J₂/J₁ = E₁/E₂

т. е. силы токов будут в обмотках изменяться в обратном отношении, чем напряжения. Так, если по первичней обмотке проходит ток в 10 ампер при 2000 вольт, то во вторичной, например при 100 вольтах, ток будет в 200 ампер. На фиг. 1 показано, как включается Т. в цепь источника тока (динамомашины) и в цепь приемников (ламп, двигателей и т. п.). В цепь динамомашины включается первичная обмотка, приемники же включаются в цепь вторичную. Если эта последняя разомкнута, т. е. во вторичной цепи нет тока, то ток первичный будет очень слаб, вследствие значительной самоиндукции первичной обмотки. Энергия, затрачиваемая в первичной цепи, при этом идет исключительно на нагревание первичной обмотки и на потери от токов Фуко и гистерезиса. По мере включения приемников во вторичную цепь, т. е. по мере того, как во вторичной обмотке усиливается ток, увеличивается сила тока и в первичной обмотке, следовательно, увеличивается и потеря энергии на ее нагревание, потеря же энергии на токи Фуко и гистерезиса почти не изменяется. Вследствие этого отношение между количеством энергии (числом ватт E₂J₂ получаемым во вторичной цепи, и количеством энергии (E₁J₁), затрачиваемым в цепи первичной, увеличивается с увеличением нагрузки Т. Это отношение, называемое отдачей Т., в хороших Т. изменяется от 95—97 % при полной нагрузке, до 80—85 % при нагрузках, не достигающих половины нормальной, для которой предназначен Т. При увеличениях нагрузки происходит всегда некоторое постепенное уменьшение разности потенциалов у зажимов вторичной обмотки. Это понижение, происходящее главным образом от падения потенциала во вторичной обмотке и от магнитной утечки, не превышает, однако, 2—3 % нормального напряжения. Поэтому Т. не требуют никакой регулировки напряжения. Последнее обстоятельство, в связи с тем, что в Т. переменного тока нет никаких подвижных частей, требующих ухода и надзора, позволяет устанавливать их в любых помещениях, напр. на чердаках, в подвалах и т. п., причем, однако, во избежание порчи обмоток от толчков и т. п., обыкновенно Т. заключаются в железные кожухи. Внешний вид Т. бывает очень разнообразный. На фиг. 2 представлен один из распространенных типов со снятым кожухом. При распределении электрического тока при помощи Т. обыкновенно первичные обмотки Т, включаются параллельно в провода, идущие от источника тока.

Фиг. 2.

Во вторичные же их цепи включаются, опять-таки параллельно, все приемники (фиг. 3).

Фиг. 3.

Т., предназначаемые не для простого переменного тока, а для трехфазного, устраиваются совершенно так же, как и для простого, с тою только разницею, что сердечники их снабжаются тремя парами обмоток, т. е. тремя обмотками первичными и тремя вторичными. На фиг. 4 представлен такой Т.

Фиг. 4.

Особый тип Т. переменного тока представляют так наз. однокатушечные Т. или автотрансформаторы. В них на сердечнике помещается только одна катушка, которая и включается в первичную цепь. В ответвлении от нескольких ее оборотов включаются приемники, так что эти обороты играют роль и вторичной катушки. Часть обмотки, играющая роль вторичной катушки, делается. понятно, из более толстой проволоки, чем остальная ее часть. Такие Т. применяются только для понижения напряжения токов и изготовляются только для весьма малых количеств энергии. Обычные же Т. с двумя катушками изготовляются для всяких количеств энергии от частей киловатта до тысяч киловатт. Очень мощные Т., во избежание нагревания, снабжаются вентилирующими приспособлениями. Т., предназначаемые для токов очень высокого напряжения (в 10 тыс. вольт и больше), для лучшей изоляции погружаются, в чаны с маслом.

Т. постоянного тока представляют из себя комбинацию электродвигателя с динамомашиной. Двигатель питается первичным током и вращает соединенную с ним динамомашину, которая уже и дает вторичный ток. Электродвигатель и динамомашина расчитываются соответственно напряжениям, которые должны иметь первичный и вторичный токи. Иногда, с целью экономии материала, обе машины соединяются в одну: общая арматура снабжается двумя отдельными обмотками, снабженными каждая своим коллектором, которые помещаются по обе стороны арматуры (фиг. 5).

Фиг. 5.

Арматура эта вставляется в полюсное отверстие индукторов. К одному коллектору подводится трансформируемый (первичный) ток, от другого берется ток вторичный. Подобные Т. занимают меньше места, но они сложнее обыкновенных, поэтому на практике чаще применяются Т. из двух машин, оси арматур которых соединяются муфтой. На фиг. 6 представлен такой трансформатор.

Фиг. 6.

Т. постоянного тока машины гораздо менее совершенные, чем Т. тока переменного. Именно в них есть подвижные части, что вызывает необходимость смазки и вообще постоянного надзора, почему эти Т. должны быть устанавливаемы в специальных помещениях. Далее, отдача таких Т. сравнительно мала. Она не превосходит 80 %. Наконец, в Т. постоянного тока изменение нагрузки вторичной цепи влияет на напряжение вторичного тока гораздо сильнее, чем в Т. переменного тока, что вызывает необходимость регулировки этого напряжения от руки или при помощи специальных, автоматических регуляторов. Все эти причины делают то, что Т. постоянного тока применяются гораздо реже, чем Т. переменного тока, применяемые на практике в весьма широких размерах. Т. применяются как для повышения, так и для понижения напряжения тока. При распределении тока в больших районах и при передаче энергии на большие расстояния, можно достичь громадной экономии в меди, идущей на устройство проводников, если применять токи высокого напряжения. Между тем эти токи опасны для жизни и часто не пригодны для разного рода приемников, напр., ламп. Поэтому, если их желают применять, то в местах потребления надо понижать напряжение этих токов, что и делается посредством Т. Обычно канализируются токи в 2000—5000 вольт (иногда 20000 в.) и трансформируются в токи в 100—250 вольт. Однако, часто понижают и до более низких напряжений, напр. для паяния, для некоторых электрометаллургических операций и т. п. В качестве повышателей напряжения Т. применяются тогда, когда, в видах безопасности и лучшей изоляции, не желают устраивать машин, дающих токи высоких напряжений, Так, напр., при применении токов в 15000 вольт и больше, обыкновенно получают их не непосредственно от машин, но преобразовывая машинные токи посредством Т. Т. же повысители применяются и для получения токов очень высоких напряжений, необходимых, напр., для некоторых способов очистки питьевых вод, для воспроизведения явлений Тесла и т. д. Особый тип Т. представляют из себя Т. переменных токов в постоянные или обратно, называемые превратителями (umformer, commutatrice). В простейшем виде такой Т. представляет из себя комбинацию из электродвигателя и динамомашины, соединенных между собой. Электродвигатель питается превращаемым током и вертит динамомашину, дающую уже превращенный ток. На практике, в настоящее время чаще приходится превращать токи трехфазные переменные в постоянные, и для этой цели выработаны особые превратители, представляющие из себя одну машину. Такой превратитель состоит из индукторов, в которых помещается арматура с обыкновенной обмоткой машин постоянного тока и обычным Граммовским коллектором, помещенным с одной ее стороны. С другой ее стороны помещены три контактных кольца (как в обычных трехфазных двигателях), присоединенных к соответствующим точкам обмотки арматуры. При посредстве этих трех колец через арматуру пропускается превращаемый трехфазный ток, приводящий машину во вращение. От вращающейся же арматуры, совершенно так же как и в динамомашинах постоянного тока, через посредство Граммовского коллектора, получается постоянный ток. Подобные превратители работают очень экономично и занимают менее места, чем две спаренные машины между собою. Применяются они во всех тех случаях, когда имеется в распоряжении переменный ток, а для некоторых целей нужен постоянный. Так, подобные превратители применены на установке электрической передачи энергии с Ниагарских водопадов, где они питают электрические трамваи и электрохимические заводы. Точно так же превратители переменного тока в постоянный установлены во Франции для питания электрической дор. между Парижем и Версалем, в Берлине — для освещения города током, получаемым от станции, расположенной далеко за городом и дающей трехфазный ток, менее пригодный для дуговых ламп, чем постоянный, и во многих других местах. На фиг. 7 изображен превратитель, применяемый на Ниагарской установке.

Фиг. 7.

Трансформаторы постоянного тока в переменный имеют совершенно такое же устройство, как и превратители переменного в постоянный. На практике они применяются редко. В качестве трансформаторов напряжения могут быть применяемы при известных условиях конденсаторы. Однако, подобного рода их применение представляет пока только теоретический интерес, ввиду трудности приготовления конденсаторов достаточной емкости, которые выдерживали бы значительные напряжения.

М. Шателен.