Трансформаторы. Передача электрической энергии

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Впервые трансформаторы были сконструированы и введены в практику русским электротехником П. Н. Яблочковым (1847-1894) и русским физиком И. Ф. Усагиным (1855-1919). Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор (рис. 15.6) состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная с числом витков и вторичная с числом витков .

Первичная обмотка подсоединяется к источнику синусоидальной ЭДС (рис. 15.7), поэтому в ней возникает синусоидальный ток , создающий в сердечнике идеального трансформатора переменный магнитный поток, который почти без рассеяния циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

Рис. 15.6

Рис. 15.7

Когда в цепь вторичной обмотки включают сопротивление нагрузки , то в ней возникает синусоидальный ток . Теперь полный магнитный поток в сердечнике создается обоими токами и . Согласно правилу Ленца, магнитный поток , создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током , направлен навстречу потоку , создаваемому током в первичной обмотке. Отсюда следует, что токи и изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180 °.

Как правило, ток в первичной обмотке в режиме нагрузки значительно больше тока холостого хода . Это следует из того, что полный магнитный поток идеального трансформатора в сердечнике должен быть в режиме нагрузки таким же, как и в режиме холостого хода. При этом напряжение на первичной обмотке в обоих случаях одно и то же. Это напряжение равно ЭДС источника переменного тока. Магнитные потокосцепления (15.13), (15,15), пронизывающие обмотки, пропорциональны числу и витков в них, поэтому можно записать:

, . (15.22)

Следовательно,

, (15.23)

где - коэффициент трансформации. При > трансформатор называется повышающим, при < – понижающим.

Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока, и отсутствуют тепловые потери. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов Фуко в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечник транформатора изготавливают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса.

У современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным нагрузкам, не превышают 1–2 %. Поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора.

Для идеального трансформатора отношение токов в обмотках обратно пропорционально числу витков [1]:

. (15.24)

Здесь знак минус учитывает сдвиг фаз 180 ° между токами и .

Комбинируя соотношения (15.23), (15.24) и учитывая формулу , получим:

. (15.25)

Отношение равно сопротивлению первичной цепи, когда вторичная обмотка нагружена на сопротивление .

В современной технике нашли широкое применение трансформаторы различных конструкций. В радиотехнических устройствах используются небольшие, маломощные трансформаторы, имеющие обычно несколько обмоток (понижающих или повышающих напряжение источника переменного тока). В электроэнергетике в линиях передач электроэнергии на большие расстояния широко применяются мощные трехфазные трансформаторы.

Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток частотой 50 Гц. Коэффициент полезного действия линии передач не превышает 90 %.