transformátor nazývané statické elektromagnetické zařízení, které má dvě (nebo více) indukčně vázaná vinutí a je navrženo k přeměně jednoho (primárního) systému střídavého proudu na jiný (sekundární) systém střídavého proudu prostřednictvím jevu elektromagnetické indukce.
V obecném případě se sekundární AC systém může lišit od primárního v libovolných parametrech: hodnoty napětí a proudu, počet fází, průběh napětí (proudu), frekvence. Největší uplatnění v elektroinstalacích, ale i v energetických přenosových a distribučních soustavách elektřiny mají výkonové transformátory obecného použití, pomocí kterých se mění hodnoty střídavého napětí a proudu. V tomto případě zůstává nezměněn počet fází, tvar křivky napětí (proudu) a frekvence.
Při zvažování problematiky této přednášky budeme mít na paměti výkonové transformátory pro všeobecné použití.
Zvažte princip fungování nejjednoduššího jednofázového transformátoru. Nejjednodušší jednofázový výkonový transformátor se skládá z magnetického obvodu (jádra) z feromagnetického materiálu (obvykle plechové elektrooceli) a dvou vinutí umístěných na jádrech magnetického obvodu.
Proč je magnetické jádro transformátoru vyrobeno z feromagnetického materiálu?
Jedno z vinutí, které je tzv primární, připojený ke zdroji střídavého proudu pro napětí U1. K dalšímu vinutí tzv sekundární připojený spotřebič Zн. Primární a sekundární vinutí transformátoru nejsou vzájemně elektricky propojeny a výkon z jednoho vinutí do druhého je přenášen elektromagneticky.
Jaký je účel jádra transformátoru?
Magnetické jádro, na kterém jsou tato vinutí umístěna, slouží ke zlepšení indukční vazby mezi vinutími.
Činnost transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce (obr. 2).
Rýže. 2. Elektromagnetický obvod transformátoru
Při připojení primárního vinutí transformátoru na střídavou síť s napětím U1 vinutím bude protékat střídavý proud i1, který vytvoří proměnný magnetický tok v magnetickém obvodu Ф. V něm se indukuje magnetický tok, pronikající do závitů sekundárního vinutí е2, které lze použít k napájení zátěže. Uzavřením magnetického obvodu se tento tok spojí s oběma vinutími (primárním a sekundárním) a indukuje v nich EMF:
V primárním EMF samoindukce:
V sekundárním EMF vzájemné indukce:
Při připojení zátěže Zn na svorky sekundárního vinutí transformátoru při působení EMF е2 v obvodu tohoto vinutí vzniká proud i2, a napětí U je nastaveno na svorkách sekundárního vinutí2.
Může transformátor běžet na stejnosměrný proud?
Transformátor je zařízení na střídavý proud. Pokud je jeho primární vinutí připojeno ke zdroji stejnosměrného proudu, pak bude magnetický tok v magnetickém obvodu transformátoru konstantní jak ve velikosti, tak ve směru (dФ / dt u0d XNUMX), proto EMF elektromagnetické indukce nebude indukované ve vinutí transformátoru, a proto nebude elektřina z primárního okruhu převedena do sekundárního.
Jak se řeší problém změny napětí, např. jeho zvýšení, na sekundárním vinutí transformátoru?
Problém zvýšení napětí je vyřešen následovně. Jakýkoli závit vinutí transformátoru má stejné napětí, pokud se počet závitů na sekundárním vinutí zvýší oproti primárnímu vinutí, pak závity jsou zapojeny do série, napětí přijaté na každém závitu se sečte. Proto je možné zvýšením nebo snížením počtu závitů zvýšit nebo snížit napětí na výstupu transformátoru.
Protože primární a sekundární vinutí transformátoru jsou proraženy stejným magnetickým tokem Ф, výrazy pro efektivní hodnoty EMF lze zapsat jako
kde f – frekvence střídavého proudu; w1 и w2 – počet závitů primárního a sekundárního vinutí.
Vydělením jedné rovnosti druhou získáme důležitý parametr transformátoru – transformační poměr:
kde k – transformační koeficient.
Pokud je obvod sekundárního vinutí transformátoru otevřený (nečinný), pak se napětí na svorkách vinutí rovná jeho EMF: U2 = E2, a napájecí napětí je téměř zcela vyváženo EMF primárního vinutí U1 ≈ E1. Proto se to dá napsat
Vzhledem k vysoké účinnosti transformátoru lze předpokládat, že S1 ≈ S2Kde S1=U1I1 — spotřeba energie ze sítě; S2 = U2I2 je výkon dodávaný do zátěže.
To znamená, že U1 I1≈ U2I2, odkud
Poměr proudů sekundárního a primárního vinutí se přibližně rovná transformačnímu poměru, tedy proudu I2 kolikrát se zvýší (sníží), kolikrát se sníží (zvětší) U2.
u stupňovitých transformátorů U2>U1, ve snižování U2 U1. Transformátory mají vlastnost reverzibility, stejný transformátor lze použít jako zvyšovací i klesající transformátor. Ale obvykle má transformátor specifický účel: buď je to zvýšení nebo snížení. Vinutí transformátoru připojené k síti s vyšším napětím se nazývá vysokonapěťové vinutí (HV); vinutí připojené k síti nižšího napětí se nazývá vinutí nízkého napětí (LV).
Proč se při přenosu energie používá vysoké napětí?
Odpověď je jednoduchá – snížit tepelné ztráty vodičů při přenosu na velké vzdálenosti. Ztráty závisí na velikosti protékajícího proudu a průměru vodiče, nikoli na použitém napětí.
Předpokládejme, že z elektrárny do města, které se nachází ve vzdálenosti 100 km od ní, je potřeba přenést elektřinu 30 MW po jednom vedení. Vzhledem k tomu, že vodiče vedení mají elektrický odpor, proud je zahřívá. Toto teplo se odvádí a nelze jej využít. Energie vynaložená na vytápění je ztrátová.
Snížit ztráty na nulu je nemožné. Ale je třeba je omezit. Proto se přípustné ztráty normalizují, tzn. při výpočtu průřezů vodičů vedení a výběru jeho napětí se předpokládá, že ztráty nepřekročí např. 10 % užitečného výkonu přenášeného vedením.
V našem příkladu je to 0,1 × 30 MW = 3 MW.
Pokud se neuplatní transformace, to znamená, že se elektřina přenese na napětí 220 V, pak by se pro snížení ztrát na danou hodnotu musel zvětšit průřez vodičů na cca 10 m2. Průměr takového “drátu” přesahuje 3 m a hmotnost v rozpětí je stovky tun.
Aplikováním transformace, to znamená zvýšením napětí ve vedení, a poté jeho snížením v blízkosti umístění spotřebitelů, používají jiný způsob, jak snížit ztráty: snižují proud ve vedení.
Jaký je vztah mezi činným výkonem a proudem?
Ztráty při přenosu elektřiny jsou úměrné druhé mocnině síly proudu.
Když se napětí zdvojnásobí, proud se sníží na polovinu a ztráty se sníží 4krát. Pokud se napětí zvýší 100krát, ztráty se sníží o 100 2, tj. 10 000krát.
Tento výraz ilustrujeme na následujícím příkladu. Na obrázku je schéma přenosu energie (obr. 3). Na primární vinutí zvyšovacího transformátoru je připojen generátor se svorkovým napětím 6,3 kV. Napětí na koncích sekundárního vinutí je 110 kV.
Rýže. 3. Schéma přenosu energie:
1 – generátor; 2 – zvyšovací transformátor; 3 – elektrické vedení;
4 – snižovací transformátor; 5 – spotřebitel
Při tomto napětí se energie přenáší po přenosovém vedení. Nechť je přenášený výkon 10 000 kW, nedochází k fázovému posunu mezi proudem a napětím.
Protože výkony v obou vinutích jsou stejné, proud v primárním vinutí je roven I u10000d P / U u6,3d 1590 / 10000 u110d 91 A a v sekundárním vinutí XNUMX XNUMX/XNUMX uXNUMXd XNUMX A. proud ve vedení bude mít stejnou hodnotu přenosu.
Princip činnosti transformátoru lze demonstrovat na následujícím vzdělávacím filmu: “Princip činnosti snižovacího transformátoru”, “Ohřev vody pomocí transformátoru.”
Pojďme si sjednotit probíranou látku zodpovězením následujících otázek.
Princip činnosti transformátoru je založen na .
zákon elektromagnetické indukce
Je-li počet závitů primárního vinutí transformátoru w1=100 a počet závitů sekundárního vinutí w2=20, určete transformační poměr.
K odpovědi není dostatek údajů.
Efektivní hodnota EMF indukovaného ve vinutí transformátoru je určena vzorcem
Závěr k první otázce: Princip činnosti transformátoru je založen na jevu elektromagnetické indukce, proto je transformátor zařízení na střídavý proud. Přeměna napětí v transformátoru se provádí změnou počtu závitů v sekundárním vinutí. Hlavním účelem transformátoru je přeměnit elektřinu jednoho napětí na elektřinu jiného napětí za účelem snížení kapitálových investic do výstavby a provozu elektrických vedení.
