§ 3. Основная роль трансформатора в распределении электрической энергии

В настоящее время электрическая энергия для промышленных целей и электроснабжения городов производится на крупных тепловых или гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного тока частотой 50 гц (в США — 60 гц).

Напряжения генераторов, установленных на электростанциях, стандартизованы и могут иметь значения 6600, 11 000, 13 800, 15 750, 18 000 или 20 000 в (ГОСТ 721—62). Для передачи электроэнергии на большие расстояния это напряжение необходимо повышать до ПО, 220, 330 или 500 кв в зависимости от расстояния и передаваемой мощности.

__________________

• Г — дольная единица, равная 10°.

Далее, на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кв (в городах и промышленных объектах) или до 35 кв (в сельских местностях и при большой протяженности распределительных сетей). Наконец, для ввода в заводские цеха и жилые квартиры напряжение сетей должно быть понижено до 380, 220 или 127 в. В некоторых случаях, например, для освещения котельных или механических цехов и сырых помещений, напряжение должно быть понижено до безопасной для жизни величины — 12, 24 или 36 в.

Повышение и понижение напряжения переменного тока и выполняют силовые трансформаторы.

Примерная схема передачи и распределения электрической энергии изображена на рис. В. 1.

Рис. В.1. Схема передачи и распределения электрической энергии

Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом.

Силовые трансформаторы обладают весьма высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), значение которого составляет от 95 до 99,5%, в зависимости от мощности. Трансформатор большей мощности имеет соответственно и более высокий к. п. д.

Как видно из схемы распределения электроэнергии (рис. В. 1), последняя от места ее получения до места ее потребления претерпевает несколько ступеней трансформации. В связи с этим установленная мощность трансформаторов, т. е. суммарная мощность всех установленных в линии трансформаторов, должна в несколько раз превышать мощность генераторов, питающих линию.

Кроме того, понижающие трансформаторы, установленные в распределительной сети, имеют среднюю загрузку, составляющую примерно 50% их номинальной мощности. Примерный суточный график

нагрузки силового трансформатора, питающего промышленное предприятие, показан на рис.В.2.

Исходя из этих двух причин — многократности трансформации и неполной или неодновременной нагрузки силовых трансформаторов — общая их установленная мощность на практике в 7—8 раз превышает мощность генераторов электростанции.

Из сказанного выясняется чрезвычайно важная роль трансформаторов в передаче и распределении электрической энергии. Без приме нения трансформаторов практически была бы немыслима в современных масштабах передача электроэнергии на большие расстояния. Кроме того, определяется большая потребность в силовых трансформаторах для этой цели.

Рис. В.2. Суточный график нагрузки силового трансформатора

Контрольные вопросы

• Назовите русских ученых XIX в., благодаря которым трансформаторы получили практическое применение.

• Назовите наибольшие, освоенные в настоящее время значения номинальных мощностей и напряжения трансформаторов.

• В чем заключается роль трансформаторов при передаче электроэнергии?

• Что такое установленная мощность и какова ее величина?

ГЛАВА I

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА И ОСНОВНЫЕ ЕГО ЧАСТИ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеемв 1831 г.

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток.

Мгновенное значение наводимой в контуре э. д. с. определяется формулой

е = -(dФ/dt)•10^-4 в(1.1)

где е —мгновенное значение э. д. с; Ф — магнитный поток, вб; 10^-4 — коэффициент пропорциональности.

Знак «минус» в формуле (1.1) поставлен согласно правилу русского физика Ленца, которое указывает на то, что наведенный в контуре ток вызывает внутри контура вторичный магнитный поток, направленный таким образом, что он противодействует изменению первоначального магнитного потока.

Формула (1.1) указывает на то, что величина наведенной э. д. с. не зависит от абсолютного значения магнитного потока Ф, а только от скорости изменения этого потока. Кроме того, наводимая в контуре э. д. с. не зависит ни от тока в контуре, ни от его сопротивления.

Если в контуре будет несколько последовательно соединенных витков ω, то наведенная в полученной катушке э. д. с будет в ω раз больше, т. е.

е = - ω•(dФ/dt)•10^-4 в (1.2)

Если взять две катушки I и II с числами витков ω₁ и ω₂ и расположить их соосно, т. е. так, чтобы их оси совпадали, то мы получим простейший трансформатор, изображенный на рис. 1.1, действие которого заключается в следующем.

Рис.1.1 Простейший трансформатор (без стального сердечника)

К катушке I, называемой первичной, от сети переменного тока подводится напряжение с действующим значением U₁. Благодаря этому в катушке возникает электрический ток, который в свою очередь создает переменный магнитный поток Ф. Силовые линии этого потока пронизывают не только первичную катушку I, но также и вторичную катушку II, поэтому в обеих катушках наводятся э. д. с. самоиндукции E₁ (в первичной катушке) и э. д. с. взаимоиндукции E₂ (во вторичной) (E₁ и E₂ — действующие значения э. д. с).

Э. Д. с. E₁ компенсируется приложенным первичным напряжением U₁ , а э. д. с. E₂ будет являться вторичным напряжением U₂ (пренебрегая падениями напряжения, см. далее).

Однако изображенный на рис. 1.1 трансформатор является несовершенным для практического применения. Магнитный поток ввиду большого сопротивления воздуха невелик, поэтому магнитная связь между обеими катушками оказывается слабой. Кроме того, некоторая часть магнитных линий не пронизывает вторичную катушку, образуя так называемый поток рассеяния, который не участвует в трансформировании напряжения, поэтому вторичное напряжение соответственно понижается.

Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном (стальном) сердечнике (магнитопроводе), как это показано на рис. 1.2. Применение замкнутого стального магнитопровода значительно снижает относительную величину потока рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800—1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).

Таким образом, две (или более) обмотки, насаженные на замкнутый стальной магнитопровод, представляют собой трансформатор.

Из этого определения следует, что основными принципиальными частями трансформатора являются первичная и вторичная обмотки и магнитопровод.

Предполагая, что обе обмотки, первичная и вторичная, пронизываются одним и тем же магнитным потоком (пренебрегая потоком рассеяния), можем на основании формулы (1.2) написать для каждой из обмоток:

е₁ = - ω₁•(dФ/dt)•10^-4 в,

е₂ = - ω₂•(dФ/dt)•10^-4 в.

Рис. 1.2. Принцип устройства трансформатора две обмотки, насаженные на замкнутый стальной магнитопровод)

Разделив одно равенство на другое, легко получить соотношение

е₁/е₂ = ω₁/ ω₂

На основе равенства

(Е действующее значение э. д. с ) можно написать, что

е₁/е₂ = Е₁/Е₂= ω₁/ ω₂=К. (1.3)

где К — коэффициент трансформации.

Коэффициентом трансформации называется отношение индуктируемых в первичной и вторичной обмотках э. д. с, равное отношению чисел витков этих обмоток.