Конец 19 века в электроэнергетике ознаменовался противостоянием двух совершенно разных подходов. В массовой культуре это явление навсегда останется под именем “войны токов”: постоянного и переменного.
Работы апологета переменного напряжения, давно уже стали мемом, и нет в мире науки человека, который бы не знал башни Теслы. А имя Эдисона, сторонника тока постоянного и родоначальника знаменитой компании General Electric, знает даже школьник.
Как несложно заметить, победило переменное напряжение, которое сопровождает нас в наших домах, в электроприборах, на улице и в промышленности. Но почему – обычно ускользает от нашего внимания.
Одной из важнейших причин этого стала возможность повышать и понижать напряжение для чего используется специальный аппарат – трансформатор. Благодаря этому удаётся терять меньше энергии из-за нагрева проводов. На большие расстояния электричество экономично передается в высоковольтных сетях, а вблизи потребителя его напряжение снижают для большей безопасности.
В этой статье мы и узнаем, что такое трансформатор и как он устроен.
Зачем нужны трансформаторы?
Чтобы ответить на данный вопрос, опять окунемся в дебри истории. Почти 50 лет длилась борьба между Эдисоном и Вестингаусом, закончившаяся безусловной победой Вестингауса. И все из-за того, что в то время у постоянного тока были нерешенные проблемы. Главная из них— невозможность передачи высокой мощности на большие (более 2 км) расстояния.
Чтобы передать высокую мощность, в электросети нужно повысить либо ток, либо напряжение (мощность, напомним, равна произведению напряжения и силы тока).
P=U\cdot I
P=I^2\cdot R
P – мощность, U – напряжение, I – сила тока
При повышении тока часть энергии уходит на нагрев проводов (с высоким напряжением проблема менее выражена).
Генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию до десятков киловольт. Теоретически её в неизменном виде можно передать потребителям. Но с увеличением мощности источника и расстояния транспортировки растут и потери на нагрев проводов. При определённых значениях сама передача энергии может терять всякий смысл.
Уменьшить потери можно только двумя способами:
- снижением сопротивления проводов;
- повышением напряжения передаваемой электроэнергии.
В первом способе для снижения потерь уменьшают сопротивление, увеличивая диаметр проводника или применяя материалы с хорошей электропроводностью, например, медь. И всё равно потери будут расти при увеличении длины кабеля.
Это крайне дорого и сложно технически, так как влечёт за собой не только удорожание и утяжеление самих линий, но и усиление конструкций, их удерживающих. На больших расстояниях это просто невыгодно экономически, а то и невозможно с инженерной точки зрения.
Чтобы сократить ширину сечения проводника до допустимой, потребители должны были располагаться не далее, чем в 1,5-2 км от электростанции, иначе мощность в сети падала до неприемлемых значений. Например, на 56-километровой линии между французскими городами Крей и Париж потери достигали 45%. Как Эдисон ни бился с проблемой потерь в сетях постоянного тока, решить ему ее так и не удалось. Единственным выходом было только строительство маломощных электростанций рядом с потребителями.
Во втором случае, согласно закону Ома, при уменьшении силы тока потери снижаются пропорционально квадрату силы тока. Это очень привлекательно с позиции снижения капитальных затрат на строительство и содержание системы энергопередачи. Но в конце XIX века не было способов свободно менять напряжение постоянного тока. Поэтому при использовании данной технологии оставалось лишь управлять силой тока и пытаться снижать сопротивление.
А в сетях переменного напряжения такая возможность была: при изменении силы и направления тока возникает магнитная сила, которую можно использовать для наведения электродвижущей силы (ЭДС) в других проводниках. Благодаря этому есть возможность изменять параметры. Поднять напряжение и одновременно снизить ток при неизменной мощности — вот зачем нужны трансформаторы в этом случае. Это открывает путь к более экономичной электропередаче.
Поскольку электроэнергия высокого напряжения не может быть распределена между потребителями непосредственно, её приводят к желаемым параметрам с помощью понижающих трансформаторов.
Таким образом, транспортировка энергии не обходится без предварительного и последующего преобразования. Поэтому без силовых трансформаторов передача электроэнергии на большие расстояния в современном мире невозможна.
Поговорим о том, что же это такое, из чего он состоит и как именно на нем повышается напряжение.
История изобретения трансформатора
30 ноября 1876 года русский электротехник и изобретатель Павел Николаевич Яблочков получил французский патент на электрический трансформатор, в котором был описан принцип действия и способ применения.
В 1890 г. русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил конструкцию трехфазного трансформатора, который позволил заменить три однофазных агрегата в трехфазной сети.
Открытия и достижения отечественных ученых в России в начале XX века внесли весомый вклад в ориентацию дальнейшего развития электроэнергетики на применение переменного тока высокого напряжения.
Устройство трансформатора
Трансформатор – это электрическое устройство, предназначенное для переноса электроэнергии переменного тока от одной цепи к другой с сохранением первоначальной частоты. Основа его конструкции – ферромагнитный сердечник с несколькими обмотками провода. Входное напряжение подключается к так называемой первичной обмотке, а выходное снимается со вторичных. Перенос энергии происходит за счет явления электромагнитной индукции. Изменяющийся ток в первичной обмотке создает изменяющееся магнитное поле, под действием которого создается переменный ток во вторичной обмотке.
Общее устройство и принцип работы трансформатора
Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.
Базовые принципы действия
Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный (изменяемый по синусойде) ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует появление ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.
Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 < k < 1 – понижающий. Например, когда число витков, из которых состоит первичная обмотка, в три раза меньше количества вторичных витков, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.
Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.
Конструкции трансформаторов
Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:
- сталь;
- пермаллой;
- феррит.
В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать. Иногда применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.
В связи с тем, что в ферромагнетиках намагничивание нелинейно, может появиться гистерезис (явление при котором характеристики при прохождении процесса в разные стороны, например и протекании тока вначале в одном, а потом в другом направлении, в одной и той же точке могут иметь разные значения) сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки, с применением метода шихтования магнитопроводов.
Форма сердечника может быть Ш-образной или тороидальной.
На этом все! Теперь вы знаете, что такое трансформатор, как и почему он появился, а также принцип его работы.
Это первая статья из обширного цикла материалов приготовленного для нашего проекта сотрудниками Южно-Уральский Электромеханического завода (Сайт | Вконтакте)
Редакторы: Даниил Сабуров, Кирилл Овчинников
Эксперты: Даниил Сабуров, Кирилл Овчинников, Антон Федотов