Производство, передача и потребление электрической энергии. Трансформатор

От электростанции к потребителю

Передача электроэнергии — процесс, который заключается в поставке электроэнергии потребителям. Электричество производится на удаленных источниках производства (электростанциях) огромными генераторами, использующими уголь, природный газ, воду, атомный распад или ветер.

Ток передается через трансформаторы, которые повышают его напряжение. Именно высокое напряжение экономически выгодно при передаче энергии на большие расстояния. Высоковольтные линии электропередач простираются по всей стране. По ним электрический ток достигает подстанций у больших городов, где понижают его напряжение и отправляют его на небольшие (распределительные) линии электропередач. Электрический ток путешествует по распределительным линиям в каждом районе города и попадает в трансформаторные будки. Трансформаторы уменьшают напряжение до определенного стандартного значения, которое безопасно и необходимо для работы бытовых устройств. Ток попадает в дом по проводам и проходит через счетчик, показывающий количество расходуемой энергии.

Трансформатор

Трансформатор — статическое устройство, которое преобразует переменный электрический ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, не изменяя его частоту. Он может работать только на переменном токе.

Основные конструкционные части трансформатора

Устройство состоит из трех основных частей:

1. Первичная обмотка трансформатора. Число витков N₁.
2. Сердечник замкнутой формы из магнитомягкого материала (например, сталь).
3. Вторичная обмотка. Число витков N₂.

На схемах трансформатор изображают таким образом:

Принцип работы

Работа силового трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея.

Между двумя раздельными обмотками (первичной и вторичной), которые связаны общим магнитным потоком, проявляется взаимная индукция. Взаимная индукция — процесс, с помощью которого первичная обмотка индуцирует напряжение во вторичной обмотке, расположенной в непосредственной близости от нее.

На первичную обмотку поступает переменный ток, который производит магнитный поток, при подключении к источнику питания. Магнитный поток проходит через сердечник и так как он меняется в течение времени, то возбуждает во вторичной обмотке ЭДС индукции. Напряжение тока на второй обмотке может быть ниже, чем на первой, тогда трансформатор называется понижающим. У повышающего трансформатора на вторичной обмотке напряжение тока выше. Частота тока остается неизменной. Эффективное понижение или повышение напряжения не может увеличить электрическую мощность, поэтому на выходе трансформатора сила тока соответственно пропорционально повышается или понижается.

Для амплитудных значений напряжения на обмотках можно записать следующее выражение:

k — коэффициент трансформации.

Для повышающего трансформатора k>1, а для понижающего — k<1.

Во время работы реального устройства всегда существуют потери энергии:

• происходит нагревание обмоток;
• затрачивается работа на намагничивание сердечника;
• в сердечнике возникают токи Фуко (они оказывают тепловое действие на массивный сердечник).

Для уменьшения потерь при нагревании, трансформаторные сердечники делают не из цельного куска металла, а из тонких пластин, между которыми располагается диэлектрик.