Трансформаторы. Передача электрической энергии

Посреди устройств переменного тока, нашедших обширное применение в технике, существенное место занимают трансформаторы. Принцип деяния трансформаторов, используемых для увеличения либо снижения напряжения переменного тока, основан на явлении электрической индукции. Простой трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная (рис. 5.5.1).

Простой трансформатор 1
Набросок 5.5.1. Простой трансформатор и его условное изображение в схемах. n1 и n2 – числа витков в обмотках.

Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e1(t), потому в ней появляется ток J1(t), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который фактически без рассеяния циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, как следует, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток. В режиме холостого хода, другими словами при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке очень мал из-за огромного индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет маленькую мощность. Ситуация резко меняется, когда в цепь вторичной обмотки врубается сопротивление нагрузки Rн, и в ней появляется переменный ток J2(t). Сейчас полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ2, создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J2, ориентирован навстречу сгустку Φ1, создаваемому током J1 в первичной обмотке: Φ = Φ1 – Φ2. Отсюда следует, что токи J1 и J2 меняются в противофазе, другими словами имеют фазовый сдвиг, равный 180°. Другой принципиальный вывод заключается в том, что ток J1 в первичной обмотке в режиме нагрузки существенно больше тока холостого хода. Это следует из того, что полный магнитный поток Φ в сердечнике должен быть в режиме нагрузки таким же, как и в режиме холостого хода, потому что напряжение u1 на первичной обмотке в обоих случаях одно и то же. Это напряжение равно ЭДС источника e1 переменного тока. Потому что магнитные потоки, пронизывающие обмотки, пропорциональны числу n1 и n2 витков в их, можно записать для первичной обмотки:

 Трансформаторы. Передача электронной энергии

для вторичной обмотки:

 Трансформаторы. Передача электронной энергии

  Как следует,

 Трансформаторы. Передача электронной энергии

  Символ минус значит, что напряжения u1 и u2 находятся в противофазе, также как и токи J1 и J2 в обмотках. Потому фазовый сдвиг φ1 меж напряжением u1 и током J1 в первичной обмотке равен фазовому сдвигу φ2 меж напряжением u2 и током J2 во вторичной обмотке. Если нагрузкой вторичной обмотки является активное сопротивление Rн, то φ1 = φ2 = 0. Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:

 Трансформаторы. Передача электронной энергии

  Коэффициент K = n2 / n1 есть коэффициент трансформации. При K > 0 трансформатор именуется повышающим, при K < 0 – понижающим. Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к безупречному трансформатору, в каком нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют энергопотери на джоулево тепло. Эти утраты могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и появлением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники транформатора изготавливают обычно из тонких железных листов, изолированных друг от друга. Существует очередной механизм утрат энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При повторяющемся перемагничивании ферромагнитных материалов появляются утраты электрической энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса. У не плохих современных трансформаторов энергопотери при нагрузках, близких к номинальным, не превосходит 1–2 %, потому к ним приближенно применима теория безупречного трансформатора. Если пренебречь энергопотерями, то мощность P1, потребляемая безупречным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P2, передаваемой нагрузке.

 Трансформаторы. Передача электронной энергии

  Отсюда следует, что

 Трансформаторы. Передача электронной энергии

другими словами токи в обмотках назад пропорциональны числу витков.  Принимая во внимание, что U2 = RнI2, можно получить последующее соотношение

 Трансформаторы. Передача электронной энергии

  Отношение Rэкв = U1 / I1 можно рассматривать как эквивалентное активное сопротивление первичной цепи, когда вторичная обмотка нагружена на сопротивление Rн. Таким макаром, трансформатор «трансформирует» не только лишь напряжения и токи, да и сопротивления. В современной технике отыскали обширное применение трансформаторы разных конструкций. В радиотехнических устройствах употребляются маленькие, маломощные трансформаторы, имеющие обычно несколько обмоток (понижающих либо повышающих напряжение источника переменного тока). В электротехнике нередко используются так именуемые трехфазные трансформаторы, созданные для одновременного увеличения либо снижения 3-х напряжений, сдвинутых по фазе относительно друг дружку на углы 120°. Массивные трехфазные трансформаторы употребляются в линиях передач электроэнергии на огромные расстояния. Передача электронной энергии от электрических станций до огромных городов либо промышленных центров на расстояния тыщ км является сложной научно-технической неувязкой. Для уменьшения утрат на нагревания проводов нужно уменьшить силу тока в полосы передачи, и, как следует, прирастить напряжение. Обычно полосы электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при всем этом в линиях употребляется трехфазный ток частотой 50 Гц. На рис. 5.5.2 представлена схема полосы передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии. Необходимо подчеркнуть, что при повышении напряжения в линиях передачи растут утечки энергии через воздух. В сырую погоду поблизости проводов полосы может появиться ток называетмый коронный разряд, который можно найти по соответствующему потрескиванию. Коэффициент полезного деяния полосы передач не превосходит 90 %.

Условная схема высоковольтной полосы передачи. 2
Набросок 5.5.2. Условная схема высоковольтной полосы передачи. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках полосы. На схеме изображен только один из 3-х проводов высоковольтной полосы.