Рассматривая события в колебательном контуре при резонансе, нужно отметить, что острота его резонансной кривой, так же как и продолжительность собственных колебаний в контуре, определяется его добротностью Q, которая растёт с уменьшением потерь (Р-112). Отсюда важный практический вывод: используя LCR-цепь в качестве фильтра и желая получить острую резонансную кривую, нужно уменьшать собственные потери в контуре, а также сопротивление Rвнс, вносимое в контур за счёт того, что часть энергии из него передаётся в другую электрическую цепь.
Здесь мы автоматически переходим к важнейшему для силовой электротехники процессу — к передаче энергии из одной цепи в другую и к особо популярному устройству, осуществляющему такую передачу, к трансформатору. Рассказ о нём завершит знакомство с набором простейших сложных цепей переменного тока.
Глава 15Маленькие хитрости большой энергетики
Это характерно для многих, а может быть, даже для всех областей техники, но особо заметно там, где работает электричество. Гигантские машины, многотонные агрегаты, сложнейшие системы начинались с простейших опытов, с маленького приборчика, наконец-то ожившего на столе счастливого изобретателя. Катушка медного провода, возле которой Фарадей быстро перемещал магнит, превратилась в мощный электрогенератор, одна такая машина может накормить электричеством целый город. С небольших моторчиков, послабее, чем у нынешней электробритвы, начинались мощные ходовые двигатели большого авианосца или электровоза. Но такие превращения, конечно же, не происходили сами собой. И вполне объяснимо, что некоторые учебные книги знакомят своих читателей с современными достижениями электрической техники, начиная с известных уже много лет простых схем и процессов. Именно с них начинается путь к пониманию нынешних электрических шедевров.
Т-157. Трансформатор передаёт энергию из одной электрической цепи в другую без непосредственного контакта между ними. Используя явление взаимоиндукции (Р-74), можно передавать электрическую энергию из одной цепи в другую без непосредственного контакта между ними, то есть не соединяя их проводниками. Устройство, которое осуществляет такую передачу, это и есть трансформатор, в переводе с латыни — «преобразователь».
В простейшем случае трансформатор — это две обмотки, связанные общим магнитным потоком Ф (Р-76). В некоторых трансформаторах, главным образом высокочастотных (частота переменного тока сотни килогерц и выше), магнитный поток замыкается по воздуху. В низкочастотных трансформаторах (частота десятки и сотни герц, в том числе промышленная частота 50 герц) магнитный поток проходит через стальной или прессованный ферромагнитный сердечник — стержневой, замкнутый п-образный, ш-образный или кольцевой (Р-47). В трансформаторах часто бывает несколько обмоток, к одной обмотке (её называют первичной) подводится электрическая энергия от генератора, а с других обмоток (вторичных) энергия передаётся разным потребителям.
Коротко о сердечниках. Сердечники делают из стали, а иногда из пермаллоя, ферромагнитного материала, более дорогого, но со значительно большей магнитной проницаемостью (Р-46). Сердечники, как правило, собраны из пластин или свиты из тонкой ленты (Р-77).
В самом сердечнике, как в любой вторичной обмотке, тоже наводится ток, и, если не принять мер, этот ток окажется весьма большим, сердечник будет отбирать у трансформатора и превращать в тепло немало энергии. Более того, массивный сердечник ведёт себя как короткозамкнутый виток, обмотка с малым сопротивлением, в которой, как мы увидим чуть дальше, возникает большой ток. Из-за этого массивный сердечник будет сильно греться, нагревая весь трансформатор и создавая тем самым угрозу его нормальной работе.
С учётом всего этого сердечник трансформатора собирают из тонких стальных пластин, между которыми находится тонкий слой электрической изоляции, например, лаковое покрытие. Поэтому пластины электрически изолированы одна от другой, и в каждой наводится свой собственный ток. При этом токи в соседних пластинах сердечника создают магнитные поля, которые действуют друг против друга, в итоге общая мощность, пожираемая сердечником (Т-8), резко уменьшается, и предотвращается его нагрев.
ВК-179. Основные электроизмерительные приборы амперметр и вольтметр в чем-то похожи и устроены вроде бы одинаково. Но различие между ними всё же есть, причём исключительно важное различие. Амперметр включается последовательно в цепь, где нужно провести измерение тока. Поэтому сопротивление амперметра должно быть очень небольшим, во много раз меньше, чем сопротивление цепи, куда включается прибор. В противном случае амперметр заметно увеличит сопротивление цепи, где измеряется ток, и покажет значительно меньшую величину тока, чем была без него.
Вольтметр подключается параллельно участку, на котором измеряется напряжение. Поэтому сопротивление вольтметра должно быть большим, оно должно быть значительно больше, чем само сопротивление участка, к которому подключается прибор. В противном случае вольтметр зашунтирует этот участок, заметно уменьшит его сопротивление и покажет меньшее напряжение, чем было до подключения прибора. Вывод прост: сопротивление амперметра должно быть как можно меньше, а вольтметра как можно больше.
Р-71. ИСКАЖЕНИЯ НЕЗАМЕТНЫЕ И НЕДОПУСТИМЫЕ. Слух человека — творение природы. Было затрачено много миллионов лет, чтобы сформировать его, и сегодня мы при рождении получаем это чудо в готовом виде с чрезвычайно высокими характеристиками. Достаточно вспомнить, что наш слух улавливает слабые звуки от упавшего с дерева листа и в то же время слышит вблизи (хотя и на грани боли) в миллиарды раз более мощный шум двигателей реактивного самолёта (1). Мы слышим диапазон частот от 16 герц до 22–23 килогерц (2) и где-то в районе 1 килогерца можем уловить изменение частоты на 0,3 процента. Можно только восхищаться, читая в книгах по физиологии про то, что уже известно о молекулярных машинах нашего слуха, и про то, что пока еще неизвестно. Но вот примерно 130 лет назад воспроизведение звука поручили электричеству — появился телефон, а в 1920 году в городе Питтсбурге (США) заработала первая радиовещательная радиостанция, рассчитанная на владельцев радиоприёмников. Звуковоспроизводящая техника достигла высокого совершенства, но и сегодня в электронных аппаратах, особенно в малогабаритных и недорогих, часто мирятся с заметными искажениями звука. Главным образом с сужением полосы воспроизводимых частот (3), что в какой-то мере еще терпимо при воспроизведении речи, но сильно искажает музыку. Нередко сжат динамический диапазон — соотношение между самым тихим и самым громким звуком — и допускаются значительные (до нескольких процентов) нелинейные искажения, которые приводят к появлению новых составляющих в спектре звука, создают ощущение его засорённости и хрипоты. В то же время создаются системы, такие, например, как CD и DVD, обеспечивающие очень высокое качество звучания.
Потери в сердечнике увеличиваются с частотой, для высокочастотных трансформаторов уже недостаточно собирать сердечники из пластин, их делают из магнитодиэлектриков. Это спрессованный мелкий ферромагнитный порошок, каждая крупинка которого отделена от других тончайшим слоем изолирующего лака, отсюда и вторая часть названия этого материала — «диэлектрик». Основное его достоинство в принципе такое же, как у пластинчатого сердечника: в крупинках магнитодиэлектрика наводятся токи, которые создают магнитные поля противоположного направления.
Если подвести к первичной обмотке трансформатора переменное напряжение U1, то в этой обмотке пойдёт переменный ток I1 (Р-76). Он создаст переменный магнитный поток, под действием которого наведётся напряжение U2 во вторичной обмотке (иногда, сразу же предположив, что во вторичную цепь уже включена нагрузка Rн, напряжение на вторичной обмотке трансформатора обозначают Uн). Точнее было бы говорить о наведённой э.д.с., но вместо неё мы сразу же введём напряжение U2, не забывая, что какая-то часть э.д.с. теряется на сопротивлении самой вторичной обмотки. Если к вторичной обмотке подключить нагрузку Rн, то в ней пойдёт ток I2. Если U1 синусоидальное напряжение и трансформатор не искажает форму тока, то и напряжение U2 тоже будет синусоидальным — наведённое напряжение зависит от скорости изменения тока, а скорость изменения синусоиды — тоже синусоида, сдвинутая по фазе на 90° (Р-60).
Т-158. Трансформатор увеличивает либо напряжение, либо ток, ни в коем случае, однако, не увеличивая мощность. Величина наведённого напряжения U2 зависит от нескольких факторов. Например, от того, насколько магнитный поток первичной обмотки пронизывает вторичную: чем большая часть этого потока рассеивается, тем, при прочих равных условиях, наведённое напряжение будет меньше. Именно поэтому обмотки трансформатора чаще всего размещают на замкнутом ферромагнитном сердечнике, по сердечнику замыкается практически весь магнитный поток, и всё магнитное поле первичной обмотки пронизывает витки вторичной. В трансформаторе с такой стопроцентной магнитной связью напряжение на вторичной обмотке определяется коэффициентом трансформации — отношением числа витков w2 во вторичной обмотке к числу витков w1 в первичной обмотке (Р-76). Это соотношение называется коэффициентом трансформации n и, как было сказано, n = w2/w1.
ВК-180.Получая в своей квартире одно фазовое напряжение (Ф1) и общий провод (0), можно всё же создать вращающееся магнитное поле и использовать рассчитанный на него асинхронный двигатель. Ток создаст в катушке I фазовое напряжение I. И, пройдя через конденсатор, ток создаст в катушке