3.3. Трансформаторы

Вы помните, что электрический ток в проводах вызывает их нагрев. Мощность, расходуемая на нагрев, пропорциональна квадрату тока, протекающего через поперечное сечение провода. Чем больше ток, тем больше потери мощности и энергии в проводнике. При увеличении напряжения и неизменном токе можно увеличить передаваемую мощность по проводнику. Экономически выгоднее передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении.

Для изменения напряжения в электрических сетях, используют трансформаторы (от лат. transformo — преобразовывать). Трансформатор осуществляет преобразование переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты переменного тока.

Попробуем разобраться, как работает трансформатор и каким образом он может изменять напряжение? В одном из своих экспериментов Майкл Фарадей обратил внимание на тот факт, что если пропускать через катушку, переменный электрический ток, то в другой катушке, расположенной неподалеку от первой, наводится (индуцируется) электродвижущая сила. Как потом оказалось, напряжение, наводимое во втором соленоиде (витки проволоки, скрученные в катушку, еще называют соленоидом), пропорционально напряжению в первом соленоиде. Продолжая эксперименты, Фарадею удалось установить, что, если катушки разместить на железном сердечнике, то величина индуцируемого напряжения во второй обмотке, возрастала при неизменной величине тока в первом соленоиде. Это говорило о том, что железный сердечник способен лучше проводить магнитный поток, создаваемый первым соленоидом. Железный сердечник улучшает передачу энергии из одной катушки в другую.

Таким образом, Фарадей впервые установил взаимосвязь между электрическим и магнитным полем. Им был открыт закон электромагнитной индукции, способность электрического поля превращаться в магнитное поле, а из магнитного поля обратно в электрическое. В дальнейшем это открытие нашло широкое применение в электротехнике, в частности, для создания трансформаторов, принцип действия которых основывается на законе электромагнитной индукции.

Принципиальное устройство современного однофазного трансформатора представлено на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Принципиальная схема трансформатора:

1 — первичная обмотка, 2 — вторичная обмотка, 3 - магнитопровод.

Трансформатор состоит из магнитопровода, который набирается из изолированных между собой листов специальной электротехнической стали. На магнитопроводе располагаются катушки с проволочными обмотками.

Обмотку, к которой подключают источник переменного напряжения, называют первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключается нагрузка (сопротивление R_н) — вторичной обмоткой. Каждая из обмоток имеет соответствующее ей число витков w₁ и w₂.

Принцип работы трансформатора, как было сказано ранее, основывается на законе электромагнитной индукция. Переменный ток i₁, протекающий в первичной обмотке трансформатора, создаёт переменное магнитное поле, силовые линии этого поля концентрируются внутри магнитопровода, в результате магнитный поток Ф во вторичной обмотке оказывается таким же, как и в первичной. Изменение магнитного потока, проходящего через вторичную обмотку, возбуждает электродвижущую силу в этой обмотке. Отношение напряжений (U₁ и U₂) первичной и вторичной обмотки практически равно отношению их чисел витков (w₁ и w₂):

.

Обмотки трансформатора рассчитываются для подключения к сетям с разными напряжениями. Обмотка с большим числом витков рассчитывается на большее напряжение и подключается к сети высшего напряжения, такую обмотку называют обмоткой высшего напряжения (ВН). Обмотку с меньшим числом витков подключают к сети низшего напряжения, её принято называть обмоткой низшего напряжения (НН).

Если напряжение первичной обмотки ниже вторичной, то такой трансформатор называют повышающим, если наоборот, первичное напряжение больше вторичного, то понижающим. Повышающие трансформаторы устанавливают на электрических станциях, понижающие – вблизи потребителей. Трансформаторы обладают свойством обратимости, любой трансформатор может быть использован как в качестве повышающего, так и в качестве понижающего трансформатора.

Необходимо отметить, что понижающий трансформатор может выполняться с двумя вторичными обмотками. Если вторичные обмотки спроектированы на одно и то же напряжение, такие обмотки называют расщепленными. Если вторичные обмотки рассчитаны на два разных напряжения, то трансформатор называется трехобмоточным. Причем у такого трансформатора помимо обмоток высшего и низшего напряжения появляется обмотка среднего напряжения (СН).

Отдельно необходимо выделить автотрансформаторы, это особый вид трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки помимо магнитной связи имеют электрическую связь. Затраты материалов на сооружение автотрансформатора по сравнению с трансформатором аналогичной мощности много меньше, поэтому применение автотрансформаторов в высоковольтных сетях оказывается выгодней. Автотрансформаторы чаще изготавливаются трехобмоточными, помимо обмоток высшего и среднего напряжения имеется обмотка низшего напряжения.

В электрических сетях применяются силовые трансформаторы, называемые так вследствие их большой единичной мощности. Внешний вид силового автотрансформатора с высшим напряжением 220 кВ, средним напряжением 110 кВ и низшим напряжением 10 кВ показан на рисунке 3.8.

Рис. 3.8. Внешний вид трансформатора 220/110/10 кВ

При передаче электрической энергии от электрических станций до места потребления требуется многократная трансформация напряжения. На электрических станциях электроэнергия вырабатывается на напряжении 6-24 кВ, далее в повышающих трансформаторах напряжение повышается до уровня 110-750 кВ и передается потребителям по линиям электропередач. В местах большой концентрации потребителей электроэнергии сооружаются понизительные подстанции. На понизительных подстанциях устанавливаются понижающие трансформаторы. Напряжение понижается до уровня 6-20 кВ и далее распределяется по кабельным линиям 6-20 кВ до трансформаторных подстанций, на которых напряжение понижается до уровня 0,38 кВ. Из-за такого большого количества трансформаций суммарная мощность всех трансформаторов, установленных в электрической сети, в 7 - 8 раз превышает общую мощность генераторов, установленных на электростанциях.

На однолинейных электрических схемах силовые трансформаторы принято изображать в виде пересекающихся окружностей, количество окружностей соответствует числу обмоток трансформатора. Стрелка, пересекающая окружность (как правило, обмотку высокого напряжения), указывает на то, что трансформатор оснащен устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Такой трансформатор способен регулировать напряжение в сети без отключения трансформатора, изменяя количество витков в одной из обмоток.

Рис. 3.9. Условные графические обозначения трансформаторов:

а – двухобмоточный трансформатор, б – автотрансформатор, в – трансформатор с расщепленной обмоткой, г – двухобмоточный трансформатор с устройством РПН, д – трехобмоточный трансформатор.