§ 21. Передача та використання енергії змінного струму. Трансформатор

Однією з основних переваг електричної енергії є те, що її можна передавати на великі відстані, наприклад, за допомогою проводів. Але під час передавання енергії неминучі її втрати, зокрема на нагрівання. Згідно із законом Джоуля — Ленца кількість теплоти, що виділяється в провідниках, дорівнює: Q = I 2 Rt. Отже, зменшити втрати енергії на нагрівання можна: 1) зменшивши опір проводів; 2) зменшивши силу струму. Розглянемо, як ці можливості реалізують на практиці.

Трансформаторна підстанція

1. Чому напругу необхідно змінювати

Збільшення площі поперечного перерізу призводить до значного збільшення маси проводів, додаткових витрат матеріалу на виготовлення проводів, опор ліній електропередачі тощо. Можна зменшити питомий опір, замінивши сталевий провід алюмінієвим, що й роблять у разі передавання електроенергії на великі відстані. Але це не розв’язує проблеми повністю: по-перше, порівняно зі сталлю алюміній досить дорого коштує; по-друге, передавання значної потужності (Р = UI) за відносно невеликої напруги потребує досить великої сили струму, тому навіть за невеликого опору втрати енергії чималі.

Якщо ту саму потужність передавати за великої напруги (відповідно за малої сили струму), то втрати енергії значно зменшуються. Наприклад, збільшення напруги в 10 разів приведе до зменшення в 10 разів і сили струму, отже, кількість теплоти, що виділиться в проводах під час передавання, зменшиться в 100 разів. Саме тому перед тим, як передати енергію на великі відстані, потрібно підвищити напругу. І навпаки: після того як енергія дійшла до споживача, напругу потрібно знизити. Така зміна напруги здійснюється за допомогою трансформаторів.

2. Як побудований трансформатор і яким є принцип його дії

Трансформатор (від латин. transformo — перетворюю) — електромагнітний пристрій, що перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги за незмінної частоти.

Найпростіший трансформатор складається із замкненого осердя (магнітопроводу) і двох обмоток (рис. 21.1). Осердя виготовлено з тонких пластин трансформаторної сталі, обмотки — з ізольованого мідного дроту. До однієї з обмоток, яка називається первинною і має N₁ витків дроту, подається напруга від джерела змінного струму. До другої обмотки — вторинної, яка має N₂ витків дроту, — підключають споживачів електричної енергії.

Рис. 21.1. Будова (а) та електрична схема (б) найпростішого (однофазного) трансформатора: 1 — первинна обмотка; 2 — осердя; 3 — вторинна обмотка

Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Якщо первинну обмотку трансформатора підключено до джерела змінного струму, то струм, який іде в її витках, утворює в замкненому осерді змінний магнітний потік Ф. Пронизуючи витки первинної та вторинної обмоток, змінний магнітний потік створює ЕРС самоіндукції е₁ в первинній обмотці та ЕРС індукції е₂ у вторинній обмотці.

Згідно із законом електромагнітної індукції ЕРС індукції е, індукована в кожному витку первинної та вторинної обмоток трансформатора, дорівнює:

Таким чином, відношення діючих значень ЕРС, індукованих у первинній. і вторинній обмотках трансформатора, дорівнює відношенню кількості витків в обмотках:

Величину k називають коефіцієнтом трансформації.

Трансформатор називають знижувальним, якщо коефіцієнт трансформації більший за одиницю (k > 1). У знижувальних трансформаторах вторинна обмотка містить менше витків дроту, ніж первинна.

Трансформатор називають підвищувальним, якщо коефіцієнт трансформації менший за одиницю (k < 1). У підвищувальних трансформаторах вторинна обмотка містить більше витків дроту, ніж первинна.

3. Холостий хід роботи трансформатора

Розглянемо, як працює трансформатор, вторинну обмотку якого розімкнено, тобто трансформатор не навантажений (рис. 21.2). Роботу ненавантаженого трансформатора називають холостим ходом.

Рис. 21.2. Холостий хід роботи трансформатора: а — схема установки; б — електрична схема

Первинна обмотка трансформатора підключена до джерела змінного струму, напруга на виході якого u₁. Під час проходження струму в обмотці виникає ЕРС самоіндукції e₁. Падіння напруги на первинній обмотці дорівнює: і₁r₁ = u₁ + е₁, де r₁ — опір обмотки, який будемо вважати нехтовно малим. Отже, в будь-який момент часу u₁ ≈ -е₁, тому для діючих значень напруги та ЕРС маємо рівність: U₁ ≈ E₁.

У вторинній обмотці струм не йде (вона розімкнена), тому напруга на кінцях вторинної обмотки за модулем дорівнює ЕРС індукції (u₂ + е₂ = 0, u₂ = -е₂, відповідно U₂ = E₂).

Таким чином, у режимі холостого ходу справджується рівність:

Якщо кількість витків у первинній обмотці більша, ніж у вторинній то трансформатор понижує напругу (U₁ > U₂). І навпаки: якщо кількість витків у первинній обмотці менша, ніж у вторинній (k < 1), то трансформатор підвищує напругу (U₁ < U₂). Добираючи співвідношення між кількістю витків у первинній і вторинній обмотках, можна в потрібну кількість разів підвищувати або понижувати напругу.

• 1) трансформатор не може здійснити перетворення напруги постійного струму, оскільки в цьому випадку магнітний потік не змінюється й ЕРС індукції не виникає;
• 2) трансформатор не можна підключати до джерела постійного струму: опір первинної обмотки є малим, тому сила струму в ній зросте настільки, що трансформатор нагріється й вийде з ладу.

4. Як працює навантажений трансформатор

Якщо вторинну обмотку трансформатора замкнути на навантаження, то в ній виникне електричний струм (рис. 21.3). Цей струм спричинить зменшення магнітного потоку в осерді і, як наслідок, зменшення ЕРС самоіндукції в первинній обмотці. У результаті сила струму в первинній обмотці збільшиться і магнітний потік зросте до попереднього значення. Чим більшими є сила струму у вторинній обмотці й потужність, яка віддається споживачеві, тим більшими є струм у первинній обмотці й потужність, яка споживається від джерела.

Рис. 21.3. Робота навантаженого трансформатора: а — схема установки; б — електрична схема

Під час роботи навантаженого трансформатора для діючих значень напруги і сили струму справджується приблизна рівність:

Це означає, що в підвищувальному трансформаторі сила струму більша в первинній обмотці (U₁ < U₂ ⇒ I₁ > I₂), a в понижувальному трансформаторі сила струму більша у вторинній обмотці (U₁ > U₂ ⇒ І₂ > I₁). Якщо трансформатор ідеальний (втрати енергії дорівнюють нулю), то у скільки разів він збільшує напругу, у стільки ж разів він зменшує силу струму, і навпаки.

5. Як підвищити ККД трансформатора

У трансформаторі, як і в будь-якому іншому технічному пристрої, існують певні втрати енергії.

Відношення потужності Р₂, яку трансформатор віддає споживачеві електричної енергії, до потужності Р_1, яку трансформатор споживає з електричної мережі, називають коефіцієнтом корисної дії трансформатора:

Основні втрати енергії в трансформаторі й технічні прийоми, які застосовують для зменшення цих втрат, наведено в таблиці.

Втрати енергії в трансформаторі

Способи зменшення втрат енергії

Виділення теплоти внаслідок проходження електричного струму в обмотках.

Обмотки трансформатора виготовляють із високоякісної міді з досить великою площею поперечного перерізу. Зі збільшенням сили струму збільшується кількість теплоти, що виділяється в обмотках, тому обмотки нижчої напруги виготовляють із дроту більшого діаметра.

Виділення теплоти внаслідок виникнення струмів Фуко в осерді, яке весь час роботи трансформатора перебуває у змінному магнітному полі.

Осердя виготовляють із набірних пластин або із феритів, тим самим збільшуючи опір осердя і зменшуючи силу струмів Фуко.

Випромінювання енергії у вигляді електромагнітних хвиль.

Осердя виготовляють замкненим і такої форми, яка не сприяє випромінюванню електромагнітних хвиль.

Втрати енергії на перемагнічування осердя.

Осердя виготовляють із трансформаторної сталі, яка легко перемагнічується.

Завдяки своїй конструкції деякі трансформатори мають ККД понад 99 %.

6. Застосування трансформаторів

Підвищувальні трансформатори розташовують поблизу генераторів змінного струму, встановлених на електростанціях. Це дозволяє передавати електроенергію на великі відстані за високих напруг (понад 500 кВ), завдяки чому втрати енергії в проводах значно зменшуються.

У місцях споживання електроенергії встановлюють знижувальні трансформатори, в яких висока напруга, що подається від високовольтних ліній електропередачі, знижується до порівняно невеликих значень, за яких працюють споживачі електричної енергії (рис. 21.4).

Рис. 21.4. Схема передачі та розподілу енергії в електричній мережі

Окрім систем передачі та розподілу електроенергії трансформатори застосовують у випрямних пристроях, у лабораторіях, для живлення радіоапаратури, приєднання електровимірювальних приладів до кіл високої напруги, електрозварювання тощо.

7. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Первинна обмотка трансформатора, яка містить 1500 витків дроту, підключена до кола змінного струму напругою 220 В. Визначте кількість витків у вторинній обмотці трансформатора, якщо вона має живити коло напругою 6,3 В за сили струму 1,5 А. Навантаження активне, опір вторинної обмотки — 0,20 Ом. Опором первинної обмотки знехтуйте.

Підбиваємо підсумки

Контрольні запитання

1. У чому перевага електричної енергії порівняно з іншими видами енергії? 2. Які основні способи зменшення втрат енергії під час її передачі? 3. Що таке трансформатор? Яка його будова? На якому явищі ґрунтується його дія? 4. Опишіть фізичні процеси, що відбуваються в трансформаторі в режимі холостого ходу; в режимі навантаження. 5. Як визначити коефіцієнт трансформації? 6. Який трансформатор називають знижувальним? підвищувальним? Де застосовують такі трансформатори? 7. Чому трансформатори не можна під’єднувати до джерел постійного струму? 8. Які основні втрати енергії під час роботи трансформатора? Як їх зменшити? 9. Як визначити ККД трансформатора?

1. На рис. 21.3 зображено лампу, приєднану через трансформатор до мережі змінного струму. Який це трансформатор — підвищувальний чи знижувальний? Чому вторинна обмотка виготовлена з товщого дроту, ніж первинна?

2. Первинна обмотка трансформатора містить 1000 витків дроту, вторинна — 3500. У режимі холостого ходу напруга на вторинній обмотці — 105 В. Яка напруга подається на трансформатор? Яким є коефіцієнт трансформації?

3. Потужність, яку споживає трансформатор, становить 90 Вт, напруга на вторинній обмотці — 12 В. Визначте силу струму у вторинній обмотці, якщо ККД трансформатора 75 %.

4. Трансформатор із коефіцієнтом трансформації 5 приєднаний до мережі змінного струму напругою 220 В. Визначте опір вторинної обмотки трансформатора, якщо напруга на ній дорівнює 42 В, а сила струму — 4,0 А. Опором первинної обмотки знехтуйте.

5. Чому трансформатор гуде? Якою є основна частота звукових коливань, якщо трансформатор підключений до промислової мережі?

Характеристика та особливості сухого трансформатора

Сухі трансформатори набули широкої популярності завдяки своїм позитивним характеристикам.

Першим і найголовнішим перевагою є безпечна експлуатація. Комплектні трансформаторні підстанції, в які входить обладнання сухого типу, встановлюються в зонах з високими вимогами щодо безпеки. Наприклад, дані КТП встановлюються в паркових зонах, на території навчальних закладів, на виробництві в цехах, на поверхових перекриттях жилах будинків. Завдяки тому, що конструкція не має на увазі наявності займистих рідин всередині, істотно скорочуються ризики виникнення пожеж через коротких замикань і по ряду інших причин.

Незважаючи на вище описану характеристику, трансформатори – це електричне обладнання, частка небезпеки в якому завжди присутній. Саме тому, ці пристрої повинні мати дуже міцну захист від впливу зовнішніх факторів. Попередження сторонніх проникнень здійснюється за допомогою установки трансформаторів в відсіку з дуже надійною ізоляцією. Доступ до даного відсіку можуть мати лише кваліфіковані фахівці з відповідним дозволом. Всі висновки під напругою повинні бути добре ізольовані з виключенням вільного доступу до них. Завдяки дотриманню цих правил скорочується вірогідність впливу електричного струму на людину.

Важливо відзначити, що трансформатор сухого типу повинен забезпечуватися найбільш надійним захистом, оскільки вплив електроструму відбувається навіть від ненавмисного дотику до обмотці. Отже, сухі трансформатора повинні мати огорожу, що перешкоджає випадковому дотику.

Кожна енергетична установка повинна перебувати під ретельним увагою, а також піддаватися періодичним перевіркам і профілактичним оглядам.

Плановий огляд – це найголовніша частина в обслуговуванні будь-якого електричного обладнання. Період проведення даних оглядів вираховується на основі умов клімату в конкретній місцевості. Найчастіше, це відбувається щоквартально. Порівнюючи обсяги робіт з обслуговування сухих і масляних трансформаторів, очевидно, що істотних відмінностей немає.

Немає такого електричного обладнання, яке б служило без перебоїв і не виходило з ладу. Трансформатори – не виняток. Найпоширенішою причиною поломок трансформатора будь-якого типу є отгоранія в області з’єднання введення і ошиновки. Іншими словами, контактні властивості сильно погіршуються.

Дана проблема не виникає спонтанно і несподівано. Насправді, це відбувається за досить довгий проміжок часу, що говорить про можливість запобігання при правильному догляді за обладнанням. Так, в сухому трансформаторі повинен забезпечуватися повний контроль над струмовідводами. Сильний перегрів токоотводящий роз’єму за короткий період виводить обмотки з нормального робочого режиму. В таких ситуаціях не допоможуть навіть спеціальні струмознімання, яким характерний великий показники потужності резерв, оскільки відвід тепла дуже поганий.

Монолітні обмотки трансформатора сухого типу виробляються за технологією «глибокий вакуум». Важливо знати, що показник розширення обмоток і литого ізоляційного матеріалу різні. Металеві вироби розширюються при сильному нагріванні набагато більше в порівнянні з ізоляційним матеріалом обмоток. У процесі використання дана особливість може стати причиною утворення маленьких тріщин. Ця проблема нерозв’язна навіть незважаючи на інноваційні розробки та новітні технології. Трансформатори сухого типу найбільше схильні до утворення мікротріщин. Яку небезпеку приховують такі дефекти?

Мікротріщини є причиною тліючих розрядів через те, що при високій напрузі опір на конкретній ділянці занадто маленьке. Даний процес набирає згодом обертів і переходить в освіту замикання між витками і шарами. У підсумку, одна невелика тріщина призводить до повного вигоряння силових обмоток і ось до чого знеструмлення електролінії.

На сьогоднішній день в процесі виготовлення трансформаторів розпізнати дані мікроскопічні тріщини на обмотці дуже складно. Очевидних причин для виникнення пошкоджень, що призводять до тліючим розрядами, немає. Час, за яке виникають подібні проблеми, довгий і нерідко доходить до декількох місяців. При цьому основна частина коефіцієнта корисної дії витрачається на нагрів обмотки з ушкодженнями. Більш того, навіть застосування спеціальних способів дослідження литих обмоток високоефективними пристроями дуже рідко дає плоди.

Трансформатор масляного типу з низькою часткою ймовірності схильний до утворення мікротріщин.

Отже, сухий трансформатор відрізняється найбільшими вимогами, які необхідно дотримуватися при експлуатації, в порівнянні з масляним типом обладнання. Дуже важливо тримати в нормі температуру експлуатації, оскільки вихід за межі режиму призводить до утворення дефектів на ізоляційному матеріалі. Не менш важливо забезпечити правильну температуру і при зберіганні пристроїв.

Вибираючи трансформатор сухого типу, до уваги важливо брати всі нюанси, навіть найнезначніші. Від правильного підбору обладнання безпосередньо залежить безпека і стабільність експлуатації. Фахівці настійно рекомендують враховувати особливості певної ситуації і умов, в яких мається на увазі використання сухого трансформатора.