Трансформаторы
При практическом использовании энергии электрического тока часто возникает необходимость изменять величину напряжения, передаваемого от генератора. Изменить постоянное напряжение трудно, а переменное напряжение можно повышать или понижать просто и почти без потерь.
Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, выполненные из проволоки или ленты. Они располагаются на сердечнике, выполненном из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется при помощи магнитного потока. Такое устройство называется трансформатором.
Две (или более) катушки индуктивности, которые соединены единым магнитным потоком, образуют трансформатор, являющимся основным компонентом схем работающих с электрической сетью электроснабжения. Эффективность трансформатора возрастает с увеличением частоты напряжения.
Рис. 12.Принцип работы трансформатора.
В принципе работы трансформатора сочетаются основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простейшего прибора с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновение магнитного потока в сердечнике, после чего во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то потечёт ток. Частота напряжения на выходе остаётся неизменной, а его величина зависит от соотношения витков катушек.
Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить, нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий (если во вторичной обмотке больше, чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий (если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).
Коэффициент трансформации
К= N1/ N2,
где N1 - количество витков первичной обмотки,
N2 - количество витков вторичной обмотки
Потери в трансформаторе
Преобразование электроэнергии в трансформаторе сопровождается потерями. Они обусловлены явлениями гистерезиса, вихревыми токами, потоками рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмоток.
Потери на гистерезис и вихревые токи обусловлены потерями в магнитном материале сердечника при работе в переменном магнитном поле. Потери, связанные с потоками рассеяния создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Они составляют около 1% от основного магнитного потока трансформатора.
Предположим, что генератор имеет мощность 1000 кВт и передает энергию в другое место. Сравним потери в двух случаях: когда напряжение равно 5000В и 50000В. В первом случае ток от генератора равен 200А (т.к. 5000 х 200 =1000кВт), во втором 20А (т.к. 50000 х 20 =1000кВт). Предположим, что для передачи электроэнергии служит линия, у которой сопротивление 20 Ом. Потери на нагревание равны I2хR (Вт). Таким образом, в первом случае потери составляют 2002 х 20 = 800000Вт = 800кВт, а во втором 202 х 20 = 8000Вт = 8кВт. Таким образом, в первом случае потери составляют 80%, а во втором 0,8%. Увеличение напряжения в 10 раз, сократило потери в 100 раз. Поэтому энергию, получаемую на электростанциях, стремятся передавать в отдаленные районы под возможно более высоким напряжением. Конечно, можно снизить потери уменьшая сопротивление передающей линии. Но для этого пришлось бы делать провода более толстыми, т.к. длина задается расстоянием до потребителя.