Трансформатори і передача енергії реферат

Обновлено: 29.06.2024

Реферат на тему

Номер зачетной книжки 172048.

Преподаватель Скребнева Евгения Владимировна.

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенных для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформатор может состоять из одного, такие трансформаторы называются автотрансформаторами или несколькими изолированными проволочными или ленточными обмотками, или катушками, покрытыми общим магнитным потоком, намотанным, как правило, на магнитный сердечник (сердечник), выполненный из ферромагнитного магнитно-мягкого материала.

Трансформатор представляет собой электрическое устройство, которое передает электрическую энергию между двумя или более цепями посредством электромагнитной индукции. Переменный ток в одной катушке трансформатора создает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует напряжение во второй катушке. Мощность может передаваться между двумя катушками через магнитное поле без металлического соединения между двумя цепями.
Немного об истории создания трансформаторов: первые шаги сделали Столетов Александр Григорьевич, который был профессором МУ, а именно он обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика. Затем, в 1831 году, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции, которое лежит в основе действия электрического трансформатора. Позже, в 1831 году, в работах Фарадея и Генри. Однако ни один из них не отметил в своем устройстве такое свойство трансформатора, как изменение напряжений и токов, т. Е. Преобразование переменного тока. В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку. Это был прототип трансформатора. В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку. Это был прототип трансформатора30. 18 ноября 1876 года дата получения патента Павла Яблочкова, Николаева, чем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с открытым сердечником, который был стержнем, на котором намотаны обмотки. Первые трансформаторы с закрытыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдвардом Хопкинсоном. Важнейшую роль в истории трансформаторов для их большей надежности сыграло маслоохлаждение: трансформаторы были помещены в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повысило надежность изоляции. Следующий крупный скачок в технологии основного производства был сделан в начале 30-х годов XX века, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагрева кремниевой стали имеет чрезвычайные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение было увеличено на 50%, гистерезисные потери уменьшились в 4.

Силовой трансформатор

1.2. Автотрансформатор

. Трансформатор тока

1.4. Трансформатор напряжения

Этот тип трансформатора подключен к источнику напряжения. Он используется для преобразования высокого напряжения в низкое напряжение. Трансформатор напряжения используется для изоляции схем логической защиты и измерительных схем от высоковольтных цепей.

Импульсный трансформатор

Разделительный трансформатор

Пик-трансформатор

2.ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТРАНСФОРМАТОРОСТРОЕНИЯ

Лучшим решением этой проблемы было бы получение картона с низкой термоусадочной пленкой, но из-за его отсутствия трансформаторные установки вводят процессы предварительной стабилизации картона; вылеживанием и обжиманием изоляционных деталей и обмоток в целом, на разных этапах производства.

Для больших трансформаторов в будущем использование многоходовых обмоток HN с количеством параллельных проводов до 200, обмотками обмоток VN с использованием транспонированного провода и отдельными регулировочными многообъемными обмотками VN на количество ступеней управления.

Для повышения электрической прочности рекомендуется более широко применять отмену пропитки обмоток.

Из индивидуальных проектных решений и направлений проектирования можно отметить использование съемных емкостей и колоколов, прямых навесных кулеров вместо трубчатых резервуаров, изготовление нажимных колец, намотанных из электротехнической стали и запеченных на эпоксидных смолах.

Экономичная эксплуатация электрических сетей и поддержание постоянных значений напряжения для потребителей требуют расширения мощности трансформаторов с регулированием напряжения нагрузки (RPN). Выход таких трансформаторов должен обеспечивать до 50% общей мощности силовых трансформаторов, включая большинство трансформаторов с напряжением кВ и выше, а распределительные трансформаторы мощностью от 25 до 6300 кВ для 10 и 35 кВ , При проектировании этих трансформаторов предпочтение следует отдавать переключающим устройствам с токоограничивающими резисторами, поскольку они имеют меньшие габаритные размеры по сравнению с реакторными устройствами и не требуют отдельного резервуара-контактора.

Разработка параллельной серии силовых трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками позволит получить большую экономию в меди. Эта медь может использоваться в трансформаторах большой мощности, чтобы уменьшить потери на короткое замыкание с меньшими габаритными размерами, чего не может быть достигнуто с алюминиевыми обмотками. Трансформаторы с медными и алюминиевыми обмотками могут иметь один и тот же символ

3.Различные виды трансформаторов, которые будут доступны в будущем:
3.1. Трансформаторы с использованием высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов.

В настоящее время в ряде стран (США, Германии, Франции, Дании, Японии, России и Китае) освоено или подготовлено промышленное производство ВТСП материалов, пригодных для создания и производства некоторых видов силового электротехнического оборудования, в частности, силовых трансформаторов. Актуальность разработки обусловлена необходимостью снижения потерь электроэнергии при ее передаче и преобразования. Другим побудительным фактором применения. ВТСП материалов являются растущие требования к уменьшению размеров электрооборудования и соответствующего уменьшения занимаемых площадей, что особенно существенно в условиях города. Кроме того, ВТСП трансформатор будет обладать большей удельной мощностью. С учетом международного опыта ВЭИ совместно с другими научно-исследовательскими и производственными предприятиями отрасли предусматривает в 2007-2012 гг. Разработать ВТСП трансформатор мощностью 1000 кВ А, содержащий обмотки, охлаждаются до уровня температур жидкого азота, и магнитопровод, что находится в тепловом контакте с окружающей средой. Из основных экономических, эксплуатационных и экологических преимуществ создаваемого на основе ВТСП трансформатора следует назвать: меньше нагрузочные потери (на 70-90%), массу и размеры по сравнению с обычными трансформаторами; отсутствие теплового старения изоляции меньше опасность для окружающей среды благодаря замене масла экологически чистым и дешевым жидким азотом.

3.2. Трансформаторы с элегазовой изоляцией.

Очевидными преимуществами элегазовых трансформаторов (ЭТ) являются их экологичность и пожаробезопасность. Однако существенно меньшие импульсная прочность и теплопередающей способность элегаз заставляют значительно увеличивать давление SF6 внутри бака трансформатора (2,5 кг / см и выше) что делает применение ЭТ экономически невыгодным. В связи с этим представляет интерес разработка ЭТ мощностью 20 MB-A 154 кВ фирмой "КЕРСО" (Южная Корея) с низким давление SF6: 1,2-1,4 кг / см. При таком давлении изоляционные свойства при напряжении 50 Гц примерно как в масло, однако импульсная прочность сильно зависит от распределения электрического поля, что подразумевает высокие требования к конструкции изоляции и выбора материала твердой изоляции, в первую очередь, в клиновидное промежутках между витками и отдельными секциями (катушками), где возникает наибольшее напряженность поля. Эта проблема была решена применением композитной изоляции из материалов с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью, которые располагаются в зонах с максимальной напряженностью поля. Эффективность системы охлаждения (газ, охлаждаемый водой), которая позволяет обеспечить необходимый теплоотвод от обмоток и магнитопровода даже при столь низком давлении элегаз, была достигнута благодаря правильному выбору тепловой модели и проведению трехмерного численного анализа, в результате чего были определены типы обмоток, размеры каналов охлаждения, оптимальные потоки ввода - вывода газа. Прототип успешно прошел все диэлектрические и термические испытания. Ведутся исследования (в том числе в ВЭИ) по возможности применения других изоляционных газов.

3.3 Кабельные трансформаторы.

3.4. Трансформаторы с гибридной изоляцией.

4. Наиболее важные черты в трансформаторах

В последние годы на первый план вышли операционная надежность, экономические и экологические аспекты. С одной стороны, это связано с тем, что в большинстве индустриальных стран большая часть трансформаторов устарела, с другой стороны, отмена государственного регулирования заставила их по-разному смотреть на эти проблемы. В связи с этим повысилась важность более точной оценки технического состояния оборудования и его остаточного ресурса, обеспечивающего надежную работу трансформаторов (20%).

Существует четыре основных фактора, влияющих на ухудшение трансформатора во время его работы: 1) термический фактор - снижение степени полимеризации и механической прочности бумаги с течением времени, включая возможное образование пузырьков из увлажненной бумаги из-за резкого повышения температуры во время перегрузок; 2) электрическим фактором является уменьшение диэлектрической прочности изоляции с повторными эффектами молнии или переключения, а в некоторых случаях с электростатическими разрядами; 3) механический фактор - ослабление механической прочности под воздействием токов короткого замыкания и токов переключения; 4) фактор окружающей среды, который влияет главным образом на резервуар и его герметичность.

В последние годы возросшие требования к эксплуатационной надежности привели к значительному прогрессу в разработке инструментов и методов диагностики и интерпретации результатов измерений при оценке состояния действующих трансформаторов. В связи с тем, что нефть как диагностическая среда содержит до 70% информации о состоянии трансформатора, все современные системы мониторинга включают те или иные средства для оценки состояния масла. Запуск новых современных приборов и датчиков с повышенной чувствительностью и точностью, позволяющий одновременный мониторинг до 8 растворенных газов и влаги одним прибором (системы TransFix - Kelman, TM8 - Serveron), изменяет стереотип о том, что контроль растворенных газов в режим линии намного хуже по качеству к результатам измерений в лаборатории. Тем не менее, единогласно признано, что периодический мониторинг оборудования в автономном режиме необходим во всех случаях. В этой связи практический интерес представляет разработка диагностических методов, основанных на частотном анализе контролируемых процессов: методы измерения поляризационно-деполяризационного тока, методы частотного анализа: диэлектрические и механические.

Одним из этих устройств, недавно приобретенных VEI и предназначенным для хроматографического анализа растворенных в нефти газов, является переносной хроматограф Transport-X (Kelman, UK). Высокие технические характеристики и надежность результатов устройства обеспечивается с помощью метода фотоакустической спектроскопии. Устройство позволяет анализировать 7 ключевых газов и содержание влаги в масле в поле (на месте установки электрооборудования). Преимуществами устройства являются его компактность, простота обслуживания, отсутствие необходимости в расходных материалах.

Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии их производства, экономия материалов при их изготовлении и возможно низкие потери энергии при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны в распределительных трансформаторах, в которых расходуется значительная часть материалов и возникает существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка.
Трансформаторы питания преобразуют переменное напряжение первичного источника в любые другие значения, необходимые для нормального функционирования аппаратуры. Кроме того, трансформатор питания позволяет получать ряд вторичных напряжений, электрически не зависимых друг от друга и от питающей сети. Наиболее просто применять для электропитающего устройства специально спроектированные трансформаторы для обеспечения высокого качества работы и требуемой надежности, низкой стоимости, минимальной массы и объема.
В тех случаях, когда напряжение или ток на вторичной стороне унифицированного трансформатора не соответствует требуемым значениям, приходится рассчитывать и изготовлять трансформатор. Не применяют унифицированный трансформатор также, если остаются незадействованными некоторые секции вторичной обмотки, что приводит к нежелательному увеличению объема и массы устройства.

Основы теории цепей, Г. И. Атабеков, Лань, С-Пб.,-М.,-Краснодар, 2006.

Силовые трансформаторы. Справочная книга/Под ред. С. Д. Лизунова, А. К. Лоханина. М.:Энергоиздат 2004. -- 616 с ISBN 5-98073-004-4

а принятое для него условное обозначение — на рис. 3.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает э.д.с. индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение э.д.с. индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой

Если Ф = Ф0 соsωt, то

е = ω Ф0 sinωt, или

где E0= ω Ф0 - амплитуда э.д.с. в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная э.д.с. индукции e1 равна п1е.

Во вторичной обмотке полная э.д.с. е2 равна п2е, где п2 - число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и э.д.с. e1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u1 + e1 = i1 R1, где R1 - активное сопротивление обмотки, а i1 - сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и членом i1 R1 можно пренебречь. Поэтому

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение

Так как мгновенные значения э.д.с. e1 и e2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением действующих значений E1 и E2 этих э.д.с. или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений U1 и U2.

U1/U2 = E1/E2 = n1/ n2= k. (4)

Величина k называется коэффициентом трансформации. Если k>1, то трансформатор является понижающим, при k

При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u2 ≈ - e2 уже не выполняется точно, и соответственно связь между U1 и U2 становится более сложной, чем в уравнении (4).

Согласно закону сохранения энергии мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи:

где I1 и I2— действующие значения силы в первичной и вторичной обмотках.

Отсюда следует, что

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Вследствие неизбежных потерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения (5) и (6) выполняются приближенно. Однако в современных мощных трансформаторах суммарные потери не превышают 2—3%.

В житейской практике часто приходится иметь дело с трансформаторами. Кроме тех трансформаторов, которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что промышленные приборы рассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, — кроме них приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина — это повышающий трансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокое напряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя. Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагревание трансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот.

Для сварочных аппаратов требуются понижающие трансформаторы. Для сварки нужны очень сильные токи, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток.

Вы, наверное, обращали внимание, что сердечник трансформатора изготовляют из тонких листиков стали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразовании напряжения. В листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем в сплошном.

Дома вы имеете дело с маленькими трансформаторами. Что же касается мощных трансформаторов, то они представляют собой огромные сооружения. В этих случаях сердечник с обмотками помещен в бак, заполненный охлаждающим маслом.

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров.

Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля — Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

где R — сопротивление линии. При большой длине линии передача энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления R линии посредством увеличения площади поперечного сечения проводов. Но для уменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода также в 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоящего цветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов на высоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и от стократного утяжеления провода.

Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кв., так как более высокое напряжение потребовало бы принятия более сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потери мощности при этом невелики.

Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - все шире. Схема передачи и распределения электроэнергии приведена на рисунке.

Электрические станции ряда областей страны соединены высоковольтными линиями передач, образуя общую электросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям не зависимо от их месторасположения.

Раздел: Промышленность, производство
Количество знаков с пробелами: 8004
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 1

I Введение
II Производство и использование электроэнергии
1. Генерация электроэнергии
1.1 Генератор
2. Использование электроэнергии
III Трансформаторы
1. Назначение
2. Классификация
3. Устройство
4. Характеристики
5. Режимы
5.1 Холостой ход
5.2 Режим короткого замыкания
5.3 Нагрузочный режим
IV Передача электроэнергии
V ГОЭЛРО
1. История
2. Результаты
VI Список использованной литературы

I. Введение

Электроэнергия, один из самых важных видов энергии, играет огромную роль в современном мире. Она является стержнем экономик государств, определяя их положение на международной арене и уровень развития. Огромные суммы денег вкладываются ежегодно в развитие научных отраслей, связанных с электроэнергией.
Электроэнергия является неотъемлемой частью повседневной жизни, поэтому важно владеть информацией об особенностях её производства и использования.

II. Производство и использование электроэнергии

1. Генерация электроэнергии

Генерация электроэнергии – производство электроэнергии посредством преобразования её из других видов энергии с помощью специальных технических устройств.
Для генерации электроэнергии используют:
Электрический генератор – электрическую машину, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.
Солнечную батарею или фотоэлемент – электронный прибор, который преобразует энергию электромагнитного излучения, в основном светового диапазона, в электрическую энергию.
Химические источники тока – преобразование части химической энергии в электрическую, посредством химической реакции.
Радиоизотопные источники электроэнергии – устройства, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.
Электроэнергия вырабатывается на электростанциях: тепловых, гидравлических, атомных, солнечных, геотермальных, ветряных и других.
Практически на всех электростанциях, имеющих промышленное значение, используется следующая схема: энергия первичного энергоносителя с помощью специального устройства преобразовывается вначале в механическую энергию вращательного движения, которая передается в специальную электрическую машину – генератор, где вырабатывается электрический ток.
Основные три вида электростанций: ТЭС, ГЭС, АЭС
Ведущую роль в электроэнергетике многих стран играют тепловые электростанции (ТЭС).
Тепловые электростанции требуют огромного количества органического топлива, запасы же его сокращаются, а стоимость постоянно возрастает из-за все усложняющихся условий добычи и дальности перевозок. Коэффициент использования топлива в них довольно низок (не более 40%), а объемы отходов, загрязняющих окружающую среду, велики.
Экономические, технико-экономические и экологические факторы не позволяют считать тепловые электростанции перспективным способом получения электроэнергии.
Гидроэнергетические установки (ГЭС) являются самыми экономичными. Их КПД достигает 93 %, а стоимость одного кВт•ч в 5 раз дешевле, чем при других способах получения электроэнергии. Они используют неисчерпаемый источник энергии, обслуживаются минимальным количеством работ¬ников, хорошо регулируются. По величине и мощности отдельных гидростанций и агрегатов наша страна занимает ведущее положение в мире.
Но темпы развития сдерживают значительные затраты и сроки строительства, обусловленные удаленностью мест строительства ГЭС от крупных городов, отсутствие дорог, трудные условия строительства, подвержены влиянию сезонности режима рек, водохранилищами затапливаются большие площади ценных приречных земель, крупные водохранилища негативно воздействуют на экологическую ситуацию, мощные ГЭС могут быть построены только в местах наличия соответствующих ресурсов.
Атомные электростанции (АЭС) работают по одному принципу с тепловыми электростанциями, т. е. происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения вала турбины, которая приводит в действие генератор, где механическая энергия преобразовывается в электрическую.
Главное достоинство АЭС – небольшое количество используемого топлива (1 кг обогащенного урана заменяет 2,5 тыс. т угля), вследствие чего АЭС могут быть построены в любых энергодефицитных районах. К тому же запасы урана на Земле превышают запасы традици-онного минерального топлива, а при безаварийной работе АЭС незначительно воздействуют на окружающую среду.
Главным недостатком АЭС является возможность аварий с катастрофическими последствиями, для предотвращения которых требуются серьезные меры безопасности. Кроме того, АЭС плохо регулируются (для их полной остановки или включения требуется несколько недель), не разработаны технологии переработки радиоактивных отходов.
Атомная энергетика выросла в одну из ведущих отраслей народного хозяйства и продолжает быстро развиваться, обеспечивая безопасность и экологическую чистоту.

1.1 Генератор

Электрический генератор – это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.
Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.
Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.
Генератор переменного тока – электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит

При вращении рамки изменяется магнитный поток через нее, поэтому в ней индуцируется ЭДС. Так как с помощью токосъемника (колец и щеток) рамка соединена с внешней электрической цепью, то в рамке и внешней цепи возникает электрический ток.
При равномерном вращении рамки угол поворота изменяется по закону:

Магнитный поток через рамку также изменяется с течение времени, его зависимость определяется функцией:

где S − площадь рамки.
По закону электромагнитной индукции Фарадея ЭДС индукции, возникающая в рамке равна:

где – амплитуда ЭДС индукции.
Другая величина, которой характеризуется генератор, является сила тока, выражающаяся формулой:

где i — сила тока в любой момент времени, I_m – амплитуда силы тока (максимальное по модулю значение силы тока), φ_c — сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
Электрическое напряжение на зажимах генератора меняется по синусодальному или косинусоидальному закону:

или

Почти все генераторы, установленные на наших электростанциях, являются генераторами трехфазного тока. По существу, каждый такой генератор представляет собой соединение в одной электрической машине трех генераторов переменного тока, сконструированных таким образом, что индуцированные в них ЭДС сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода:

2. Использование электроэнергии

Электроснабжение промышленных предприятий. Промышленные предприятия потребляют 30-70% электроэнергии, вырабатываемой в составе электроэнергетической системы. Значительный разброс промышленного потребления определяется индустриальной развитостью и климатическими условиями различных стран.
Электроснабжение электрифицированного транспорта. Выпрямительные подстанции электротранспорта на постоянном токе (городской, промышленный, междугородний) и понижающие ПС междугороднего электрического транспорта на переменном токе питаются электроэнергией от электрических сетей ЭЭС.
Электроснабжение коммунально-бытовых потребителей. К данной группе ПЭ относится широкий круг зданий, расположенных в жилых районах городов и населенных пунктов. Это – жилые здания, здания административно-управленческого назначения, учебные и научные заведения, магазины, здания здравоохранения, культурно-массового назначения, общественного питания и т.п.

III. Трансформаторы

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

Схема устройства трансформатора

1 – первичная обмотка трансформатора
2 – магнитопровод
3 – вторичная обмотка трансформатора
Ф – направление магнитного потока
U₁ – напряжение на первичной обмотке
U₂ – напряжение на вторичной обмотке

Первые трансформаторы с разомкнутым магнитопроводом предложил в 1876 г. П.Н. Яблочков, который применил их для питания электрической "свечи". В 1885 г. венгерские ученые М. Дери, О. Блати, К. Циперновский разработали однофазные промышленные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. В 1889-1891 гг. М.О. Доливо-Добровольский предложил трехфазный трансформатор.

1. Назначение

Трансформаторы широко применяются в различных областях:
Для передачи и распределения электрической энергии
Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.
Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В.
Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя (преобразовательные трансформаторы).
Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.
Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.
Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. (измерительные трансформаторы)

2. Классификация

По назначению: силовые общего(используются в линиях передачи и распределения электроэнергии) и специального применения (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы).
По виду охлаждения: с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.
По числу фаз на первичной стороне: однофазные и трёхфазные.
По форме магнитопровода: стержневые, броневые, тороидальные.
По числу обмоток на фазу: двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).
По конструкции обмоток: с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.

3. Устройство

Простейший трансформатор (однофазный трансформатор) представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток.

Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора
Магнитопровод представляет собой магнитную систему трансформатора, по которой замыкается основной магнитный поток.
При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки.

Условное обозначение трансформатора:
а) – трансформатор со стальным сердечником, б) – трансформатор с сердечником из феррита

4. Характеристики трансформатора

Номинальная мощность трансформатора – мощность, на которую он рассчитан.
Номинальное первичное напряжение – напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора.
Номинальное вторичное напряжение – напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающееся при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки.
Номинальные токи, определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.
Высшее номинальное напряжение трансформатора – наибольшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
Низшее номинальное напряжение – наименьшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
Среднее номинальное напряжение – номинальное напряжение, являющееся промежуточным между высшим и низшим номинальным напряжением обмоток трансформатора.

5. Режимы

5.1 Холостой ход

Режимом холостого хода – режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение.

В первичной обмотке трансформатора, соединенной с источником переменного тока течёт ток, в результате чего в сердечнике появляется переменный магнитный поток Φ, пронизывающий обе обмотки. Так как Φ одинаков в обеих обмотках трансформатора, то изменение Φ приводит к появлению одинаковой ЭДС индукции в каждом витке первичной и вторичной обмоток. Мгновенное значение ЭДС индукции e в любом витке обмоток одинаково и определяется формулой:

где – амплитуда ЭДС в одном витке.
Амплитуда ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках будет пропорционально числу витков в соответствующей обмотке:

где N₁ и N₂ – число витков в них.
Падение напряжения на первичной обмотке, как на резисторе, очень мало, по сравнению с ε₁, и поэтому для действующих значений напряжения в первичной U₁ и вторичной U₂ обмотках будет справедливо следующее выражение:

K – коэффициент трансформации. При K>1 трансформатор понижающий, а при K

Приборы для измерения электрического тока нашли широкое применение в технике. Особое внимание было выделено для трансформаторов. Их принцип действия основан на электромагнитной индукции, что служит для повышения или понижения напряжения переменного тока. Строение простейшего трансформатора включает в себя сердечник из магнитномягкого материала, на которые наматываются две обмотки: первичная и вторичная, изображенные на рисунке 2 . 5 . 1 .

Рисунок 2 . 5 . 1 . Простейший трансформатор и его условное изображение при помощи схем, где n 1 и n 2 являются числами витков обмоток.

Характеристики первичной и вторичной обмоток

Первичная обмотка подсоединена к источнику переменного тока с ЭДС e 1 ( t ) , где имеет место возникновение тока J 1 ( t ) , создающего переменный магнитный поток Ф , располагаемый в сердечнике трансформатора. Ф циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику, значит, проходит через все имеющиеся витки первичной и вторичной обмоток. Режим холостого хода характеризуется разомкнутой цепью для вторичной обмотки. Тогда ток из первичной мал по причине наличия индуктивного сопротивления обмотки. Данный режим наиболее оптимален для работы трансформатора, так как он потребляет минимальное количество мощности.

Когда вторичная обмотка получает сопротивление нагрузки R н _, тогда ситуация приводит к возникновению переменного тока J 2 ( t ) . Создание полного магнитного потока Ф в сердечнике производится с помощью обоих токов. Исходя из правила Ленца, магнитный поток Φ 2 _, созданный током J 2 из вторичной обмотки, направляется навстречу потоку Φ 1 , созданным током J 1 первичной обмотки. Суждение записывается как Φ = Φ 1 – Φ 2 . Следовательно, токи J 1 и J 2 проходят изменения в противофазе, иначе говоря, имеется фазовый сдвиг, равняющийся 180 градусам.

Важность еще одного вывода в том, что ток J 1 первичной обмотки, используемый в режиме нагрузки, намного больше по значению тока холостого хода. Отсюда вывод, что магнитный поток Ф из сердечника в режиме нагрузки должен быть таким же, как и в режиме холостого хода, потому как напряжение u 1 первичной обмотки обоих случаев является один и тем же. То есть напряжение равняется ЭДС источника e 1 переменного тока.

Магнитные потоки, проникающие в обмотки, пропорциональны n 1 и n 2 виткам, находящимся в них, тогда запись для первичной обмотки будет иметь вид:

e 1 + e 1 и н д = 0 , u 1 = e 1 = - e 1 и н д = n 1 d Φ d t ,

для вторичной – u 2 = J 2 R н = e 2 и н д , u 2 = - n 2 d Φ d t .

Отсюда следует, что

u 2 = - n 2 n 1 u 1 .

Наличие минуса говорит о том, что напряжения u 1 и u 2 находятся в противофазе, как и J 1 и J 2 , находящиеся в обмотках. Отсюда имеем, что фазовым сдвигом φ 1 между напряжением u 1 и током J 1 первичной обмотки считается фазовый сдвиг φ 2 между напряжением u 2 и током J 2 вторичной обмотки. Когда вторичная обмотка нагружена с помощью активного сопротивления R н , тогда формула примет вид φ 1 = φ 2 = 0 .

Амплитудные значения напряжений на обмотках записываются как

U 2 U 1 = n 2 n 1 = K .

Видно, что коэффициентом K = n 2 n 1 считается коэффициент трансформации. Когда K > 1 , трансформатор называют повышающим, когда K 1 – понижающим.

Данные соотношения могут быть применимы только для идеального трансформатора, где отсутствует рассеяние магнитного потока и потери энергии на джоулево тепло.

Активное сопротивление обмоток и возникновение индукционных токов в сердечнике, называемых токами Фуко, вызывает такие потери. Чтобы уменьшить их, необходимо изготавливать сердечники из тонких стальных изолированных листов.

Имеет место на существование механизм потерь энергии, когда происходят гистерезисные явления в сердечнике.

Циклическое перемагничивание ферромагнитных материалов появляется вследствие потерь электромагнитной энергии, которая прямо пропорциональна площади петли гистерезиса.

Применение трансформаторов

Современные трансформаторы обладают потерями энергии при нагрузках, приближенных к нормальным, не превышающими 1 - 2 % , что говорит о возможности применения теории идеального трансформатора.

При пренебрежении потерями энергии мощность P 1 , которая потребляется с помощью идеального трансформатора, имеющего источник переменного тока, равняется мощности P 2 _, передаваемой нагрузки.

Формула имеет вид:

U 1 I 1 2 = U 2 I 2 2 , cos φ 1 = cos φ 2 = 1 .

Следовательно, что I 2 I 2 = U 2 U 1 = n 2 n 1 = K , где видна обратная пропорциональность токов относительно числа витков.

Если U 2 = R н I 2 , тогда соотношение запишется как U 1 I 1 = R н K 2 .

Современная техника располагает применением трансформаторов с различными конструкциями. Радиотехнические устройства имеют в своем составе небольшие и маломощные трансформаторы с несколькими обмотками для повышения или понижения переменного тока. Электротехника нашла применение для трехфазных трансформаторов, которые предназначаются для повышения и понижения трех напряжений одновременно, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 120 градусов.

Применение мощных трехфазных трансформаторов актуально для линий передач электроэнергии на большие расстояния.

Чтобы потери нагревания проводов были минимальными, следует производить уменьшение силы тока в линии передач, увеличивать напряжение. Стандартный расчет напряжения линий электропередач равняется 400 - 500 к В , причем применяется трехфазный ток с частотой 50 Г ц . Рисунок 2 . 5 . 2 показывает схему линии передачи электроэнергии, начиная от электростанции, заканчивая потребителем. По схеме отчетливо видно, как используется трансформатор в таких целях.

Повышение напряжения в линиях способствует увеличению утечки. Явный пример – это сырая погода. Тогда отчетливо можно увидеть возникновение коронного разряда с помощью характерного потрескивания. КПД линий передач представляет собой значение не более, чем 90 % .

Рисунок 2 . 5 . 2 . Условное изображение схемы высоковольтной линии передач.

Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках линии. Схема показывает один из трех проводов высоковольтной линии.

Читайте также: