В процессе производства, транспортировки, потребления электроэнергии на различных этапах требуются различные уровни переменного напряжения. Производить электрическую энергию лучше на среднем уровне, для транспортировки на дальние расстояния нужен высокий уровень, к потребителям доводится напряжение ниже 1000 вольт, а конкретный потребитель может требовать и 12, и 5 VAC. Для преобразования переменного напряжения до различных значений требуются специальные устройства.
Схема производства, передачи и потребления электрической энергии
Внешний вид и назначение
Маломощное устройство для преобразования уровней напряжения
Таким устройством является трансформатор. Если на его выводы подать переменное напряжение одного уровня, с других выводов можно снять переменное напряжение другого уровня, которое зависит от конструкции устройства.
Такие устройства применяют в радиотехнике
Внешне трансформаторы могут выглядеть абсолютно по-разному. Маленький трансформатор от блока питания небольшой мощности выглядит, как небольшой параллелепипед размером ненамного больше спичечной коробки. Устройства трансформации специального назначения могут быть и меньше или иметь другую форму. А в «большой» электроэнергетике используются масляные трехфазные трансформаторы большой мощности. Они могут быть размерами с небольшой дом.
Масляные трехфазные силовые трансформаторы
Общая конструкция и принцип работы
Минимально любой трансформатор содержит:
- одну первичную обмотку (она подключается к источнику напряжения) с количеством витков N1;
- одну вторичную обмотку (к ней подключается нагрузка) с количеством витков N2.
Обе обмотки располагаются недалеко друг от друга. Этого достаточно, чтобы передать энергию из первичной цепи во вторичную с помощью электромагнитной индукции. На практике обе обмотки практически всегда располагают на сердечнике.
Конструкция трансформатора и принцип его действия
Если к первичной обмотке подключить источник питания, который выдает переменное напряжение U1, через витки потечет переменный ток I1. Этот ток создаст магнитный поток Ф через поперечное сечение катушки. Магнитный поток концентрируется сердечником и направляется сквозь вторичную обмотку, создавая в ней ЭДС величиной U2. Если к выводам вторичной обмотки подключить нагрузку, через нее потечет вторичный ток I2.
Магнитный поток, проходящий мимо вторичной катушки, называется потоком рассеяния. Он не участвует в трансформировании энергии, снижает КПД устройства и считается вредным явлением. Наличие сердечника резко снижает поток рассеяния.
Если принять, что устройство идеально, поток рассеяния в нем отсутствует (как и другие потери), то входная мощность равна выходной:
Отсюда следует, что U1* I1= U2 *I2.
Выходное напряжение определяется соотношением витков обмоток:
Величина k называется коэффициентом трансформации (или витковым коэффициентом трансформации — он не всегда совпадает с фактическим).
Из приведенных соотношений следует, что:
- U2=U1*(N2/N1)=U1*k;
- I2=I1/k=I1/(N2/N2).
Следовательно, если в устройстве трансформации потери отсутствуют, то напряжения прямо пропорциональны соотношению витков, а токи обратно пропорциональны этому соотношению.
Основные технические характеристики
Кроме коэффициента трансформации, важной характеристикой при выборе устройства является номинальное напряжение вторичной обмотки. Узел, рассчитанный на подключение в первичную цепь 220 вольт, очевидно, не может быть подключен в сеть, например, 100 000 вольт.
Следующим параметром, которым надо руководствоваться при выборе – габаритная мощность. Она должна превышать общую мощность всех потребителей, подключенных ко всем вторичным обмоткам. А еще надо номинальный ток каждой обмотки соотнеси с максимально возможным током всех потребителей, подключенных к ее выводам.
У трансформатора есть и иные параметры:
- потери холостого хода;
- напряжение короткого замыкания;
- перегрузочная способность;
- прочие характеристики.
Эти цифры нужны при серьезном проектировании устройств преобразования уровней напряжения.
Режимы работы
Существует три основных режима работы устройств трансформации напряжения:
- Режим холостого хода. В этом случае нагрузка к вторичной обмотке не подключена, передача электроэнергии не происходит.
Режим холостого хода
Выходное напряжение равно U2, ток I2 равен нулю, ток I1 определяется потерями (в обмотке и сердечнике). Этот режим на практике используется для некоторых измерений параметров во время профилактической наладки и после ремонта.
- Режим нагрузки – к выводам вторичной катушки подключен потребитель электроэнергии. Обычный режим коммерческого использования электрооборудования. Ток I2 определяется мощностью нагрузки, I1 – мощностью нагрузки и потерями. Выходное напряжение, в общем случае, меньше напряжения холостого хода и определяется соотношением мощности нагрузки и выходного сопротивления устройства.
- Режим короткого замыкания. Вторичная обмотка замкнута накоротко, сопротивление нагрузки равно нулю. Теоретически ток I2 (и I1) равен бесконечности, практически ограничивается мощностью трансформатора и мощностью источника электроэнергии.
Режим КЗ кратковременно используется для снятия некоторых характеристик трансформатора, но чаще всего он возникает в аварийной ситуации и требует немедленного отключения.
При этом существуют трансформаторы, режим КЗ для которых является нормальным режимом. Это так называемые трансформаторы тока. При определенных условиях у них ток во вторичной обмотке обратно пропорционален току в первичной. Этим можно пользоваться для измерений, включая первичную обмотку последовательно с нагрузкой. Имея определенные отличия в конструктиве, они работают по тому же принципу (трансформатор «не знает», что он трансформирует ток).
Режим холостого хода (разомкнутой вторичной цепи) для трансформаторов тока является нештатным и опасным.
Классификация трансформаторов
Классифицировать устройства трансформации можно по разным критериям – как конструктивным, так и электрическим.
По способу охлаждения
В качестве охлаждающей среды в устройствах трансформации электрической энергии может применяться масло. По этому критерию они делятся на:
- масляные трансформаторы;
- сухие (охлаждаются окружающим воздухом, естественным или принудительным потоком).
Масляное исполнение обычно бывает у мощных высоковольтных трансформаторов. Кроме охлаждающей функции, масло выполняет еще и изолирующую роль.
В качестве изолирующей среды в некоторых случаях используется элегаз (шестифтористая сера). Устройства трансформации с такой изоляцией называются элегазовыми.
По отношению выходного напряжения
Есть трансформаторы, у которых выходное напряжение выше входного. Это означает, что количество витков во вторичной катушке больше, чем в первичной, а коэффициент трансформации k>1. Такие трансформаторы называются повышающими.
У других типов преобразовательных устройств выходное напряжение ниже входного, количество витков во вторичной обмотке ниже, чем в первичной, k