12-5. Первые электрические трансформаторы
Летом 1882 г. в Москве состоялась Всероссийская промышленно-художественная выставка. Для этой выставки механик Московского Университета Иван Филиппович Усагин применил совершенно новую по тому времени систему электрического освещения. Электрическая энергия передавалась по территории выставки током высокого напряжения, а у каждого светильника напряжение понижалось при помощи изобретенного Усагиным аппарата.
Этот аппарат состоял из стального сердечника, окруженного двумя обмотками из изолированной проволоки; в одной обмотке было больше витков, в другой меньше.
Такой аппарат подобен рычагу: на длинное плечо рычага действует малая сила, но она движется с большой скоростью. Это соответствует обмотке с большим числом витков; на ней высокое напряжение, но мал ток. Короткое плечо рычага — обмотка с малым числом витков; на ней напряжение низкое, но ток велик.
Преобразование токов и напряжений для питания электрических осветительных сетей было предложено также Павлом Николаевичем Яблочковым еще в 1876 г.
Построенные Яблочковым и Усагиным аппараты и были первыми электрическими трансформаторами.
Трансформаторы Яблочкова — Усагина позволяют наиболее экономным образом, с наименьшими затратами металла и наименьшими потерями передавать электрическую энергию. Миллионы подобных трансформаторов работают в настоящее время во всем мире.
В электроосветительных установках Яблочкова и Усагина применялся переменный ток низкой частоты. Такой же ток вырабатывается в настоящее время на тепло- и гидроэлектростанциях. В СССР и во всей Европе применяется ток с частотой 50 Гц (в Америке 60 Гц). Поэтому и конструкции современных трансформаторов, устанавливаемых на центральных электростанциях, в линиях электропередачи, в распределительных сетях, в принципе остались те же, что и конструкции первых трансформаторов Яблочкова и Усагина. Внесено много усовершенствований в отдельные детали этих трансформаторов, во много раз возросли их мощности. Например, на Волжских гидростанциях (Куйбышевской и Волгоградской) применены трансформаторы на мощность свыше 100 тыс. кВт и на напряжение 500 тыс. в. Но все современные трансформаторы для токов низкой частоты состоят из проволочных обмоток на стальных сердечниках.
В 1895 г. Александр Степанович Попов изобрел радио. С этой даты начинается стремительное развитие техники быстропеременных токов, токов высокой частоты.
В современной технике находят применение токи разнообразнейших частот. От токов, частота которых доли герца (период больше секунды), и до токов с частотой в миллиарды герц простирается используемый в настоящее время диапазон.
Для всех этих токов строятся трансформаторы. При помощи трансформаторов согласовывают сопротивление потребителей и генераторов, изменяют соотношение между токами и напряжениями, меняют концентрацию электромагнитной энергии.
Среди трансформаторов для токов высоких частот наблюдается большое разнообразие конструкций. Одни из них сохраняют еще черты аппаратов Яблочкова—Усагина, другие напоминают оптические приборы.
12-6. Что можно назвать трансформатором?
«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет материи, то умножится в другом месте, — так писал более двухсот лет тому назад великий русский ученый Михайло Васильевич Ломоносов. — Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оную у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Из законов сохранения материи и энергии, высказанных Ломоносовым, следует, что при любых происходящих в природе превращениях энергия, так же как и материя, никогда не возникает вновь из ничего и никогда не пропадает. Энергию можно только видоизменять, преобразовывать.
Но преобразования энергии могут быть разными. В предыдущих параграфах этой главы в качестве преобразователей энергии были названы щипцы для орехов, телескоп. Это все устройства, которые не меняют вида преобразуемой ими энергии, меняют только параметры энергии: силу и скорость, напряжение и ток.
Существуют устройства другого вида, в которых энергия претерпевает качественные изменения. Две разнородные металлические пластинки — одна медная, а другая цинковая, опущенные в раствор кислоты, вызывают электрический ток в проволоке, которая соединяет их между собой. При этом химическая энергия превращается в электрическую.
Электрический ток можно также получить, перемещая одну относительно другой две проволочные обмотки. При движении обмоток механическая энергия превращается в электрическую.
Те устройства, в которых энергия из одного вида переходит в другой, претерпевает качественное изменение, принято называть генераторами. Слово «генератор» в переводе с латинского означает «родитель, производитель». Этот термин надо понимать так, что в генераторе из одного вида энергии возникает, «рождается» новый вид энергии.
Две разнородные металлические пластинки в кислоте являются электрохимическим генератором. Машина, в которой обмотка из медной проволоки движется между магнитных полюсов, является электромеханическим генератором.
В топке парового котла химическая энергия топлива превращается в тепловую. Тепло передается воде, превращает ее в пар. Котел иногда называют генератором пара — парогенератором.
Трудно точно разграничить, какие преобразователи энергии надлежит именовать генераторами, а какие — трансформаторами, так же как трудно указать, например, какое точно различие между названиями фабрика и завод. Но мы в дальнейшем будем называть трансформаторами такие преобразователи, в которых меняется направление, концентрация (плотность) энергетического потока или какие-либо другие его показатели, но не меняется качество преобразуемой энергии, не происходит превращения одного вида энергии в другой.
Трансформатор электромагнитной энергии — это устройство, преобразующее поток электромагнитной энергии без изменения его частоты.
12-7. О сходстве и различии трансформаторов электромагнитной энергии
В прежние годы существовал разрыв, пропасть между оптикой и электроэнергетикой. Казалось, что нет решительно ничего общего между оптикой с ее тонкими световыми лучами, зеркалами и линзами, с одной стороны, и между «катушечной электротехникой», с другой стороны.
В разных частях спектра электромагнитных колебаний установились свои понятия, свои методы расчета, своя терминология.
Оптики толкуют о показателях преломления, об углах падения и отражения, о фокусных расстояниях. В электроэнергетике основные понятия — это заряды, токи, напряжения, активные и реактивные сопротивления.
Рис. 12-3. Преобразование светового потока в линзовом телескопе.
Плотность светового потока, падающего на зрачок глаза, больше плотности светового потока, падающего на объектив телескопа. Когда мы смотрим в телескоп на звезды, в наш глаз попадает во столько раз больше света, во сколько раз площадь объектива телескопа превышает площадь зрачка глаза.
И для измерения количеств энергии, мощности, концентрации в разных областях имеются свои единицы. Электрики пользуются джоулями, ваттами, теплотехники — калориями, в светотехнике в ходу люмены, люксы, ниты.
Рассмотрим более подробно, чем отличаются между собой катушечные и оптические трансформаторы.
Электромагнитным колебаниям каждой частоты соответствует своя длина электромагнитной волны. Току с частотой 50 Гц соответствует волна длиною в 6 000 км. Световым колебаниям с частотой 1014 Гц соответствуют волны длиной в десятые доли микрона.
Оптический трансформатор (микроскоп, телескоп) — это конструкция, размеры которой Ζ во много раз больше длины электромагнитной волны λ. В оптическом трансформаторе отношение Ζ/λ много больше единицы.
Катушечный трансформатор токов низкой частоты, наоборот, имеет размеры Ζ, во много раз меньшие, чем та электромагнитная волна, которую он трансформирует. В катушечном трансформаторе отношение Ζ/λ много меньше единицы.
Таким образом, принцип конструкции трансформатора электромагнитной энергии зависит в первую очередь от отношения его размеров I к длине трансформируемой электромагнитной волны λ.
Рис. 12-4. Схема зеркального телескопа.
Зеркальный телескоп, так же как и линзовый, трансформирует световой поток, сжимая его, уменьшая сечение потока и повышая концентрацию световой энергии в нем.
Не так давно началось освоение области метровых и сантиметровых электромагнитных волн. Этим волнам соответствуют частоты колебаний 108—1010 Гц. Для них применяются самые разнообразные конструкции трансформаторов: и такие, размеры которых больше длины волны, и такие, размеры которых меньше длины волны.
В области сантиметровых и миллиметровых волн тесно переплетаются оптика с низкочастотной электротехникой. Эту область изучают, пользуясь представлениями из разных смежных областей. Частично здесь принята терминология, обычная для электротехники низких частот. Применяются также широко понятия, связанные с теплом и оптикой.
В конце прошлого века профессор Π. Н. Лебедев впервые изучал в Москве сантиметровые и миллиметровые волны. Техническое освоение области сантиметровых волн практически началось лишь в годы Великой Отечественной войны. Ныне эта область электромагнитного спектра имеет огромную научную и техническую значимость.
Рис. 12-5. Трансформация светового потока в микроскопе.
Плотность светового потока, рисующего увеличенное изображение на сетчатке глаза наблюдателя, меньше плотности светового потока, проходящего сквозь изучаемый объект
Радиолокация основана на применении волн сантиметрового и миллиметрового диапазона. Эти волны важны для ядерной техники, для промышленного нагрева и для многих других применений.
На современном корабле или самолете работает множество разнообразнейших трансформаторов электромагнитной энергии. Те, что предназначены для токов низкой частоты, состоят из многих тысяч витков медной проволоки на стальных сердечниках, а те, что преобразуют токи сверхвысоких частот, выполнены в виде труб, пустых сосудов, зеркал.
Рассмотрим, как и при каких условиях один тип конструкции переходит в другой, как зависит тип конструкции трансформатора от мощности и частоты колебаний.
12-8. Таблица трансформаторов электромагнитной энергии
Отношение размера трансформатора l к длине электромагнитной волны λ — характерный признак для классификации всех возможных трансформаторов электромагнитных колебаний; по этому принципу и построена таблица (рис. 12-6). На ней нанесены горизонтальные линии, каждая из которых помечена соответствующим отношением l/λ. Переход между двумя смежными линиями соответствует изменению в 10 раз отношения размеров трансформатора к длине волны.
В нижней части нашей таблицы трансформаторов находятся катушки на стальных сердечниках. Размеры этих конструкций во много раз меньше, нежели длины преобразуемых ими электромагнитных волн. В верхней части таблицы помещены линзы, зеркала, размеры которых во много раз превышают длины волн.
Между катушками и зеркалами лежит область антенн, труб, полых сосудов (полых колебательных контуров). Конструкции в разных областях таблицы трансформаторов очень непохожи одна на другую. Но от каждой конструкции можно перейти к любой другой путем постепенной, плавной деформации конструктивных особенностей.
Есть такая забава: картинки-перевертыши. Рисуется, к примеру, овальная линия — яйцо. К нему добавляется горлышко. Получается кувшин. Сверху пририсовывается кружок поменьше.
Рис. 12-6. Таблица трансформаторов электромагнитной энергии.
Ого! Это уже что-то живое. Снизу ноги, сбоку хвост... Готов страусенок! Он стоит и смотрит вбок. Ноги можно укоротить, крылья увеличить. Вот уже самолет, делающий крутой вираж. Нет границ фантазии, изобретательности художника. Изображение утки можно переделать в чайник, в банку для простокваши, в котенка, стол и стулья — в корабль или поезд.
Один штрих ничего не меняет, но ряд последовательных штрихов производит чудесные превращения.
В трансформаторах, как и во всяких других машинах и аппаратах, постепенное накопление мелких количественных изменений конструкции приводит к изменению качества, к появлению новых конструктивных форм.
