Трансформатор. Передача електроенергії на великі відстані

Трансформатор. Передача електроенергії на великійвідстані
Електрорушійна сила потужнихгенераторів електростанцій досить велика. А на практиці найчастіше потрібна недуже висока напруга. Перетворення змінного струму, за якого напругазбільшується чи зменшується в декілька разів майже без затрат потужності,здійснюється за допомогою трансформаторів.
Уперше трансформатор створив1878 року російський вчений Яблочков, а на початку ХХ ст. його удосконаливпрофесор Усатін і професор Київського університету Доліво-Добровольський. Трансформаторскладається із замкненого осердя із феромагнетика, на якому розміщують дві (інколибільше) котушки у вигляді обмоток із дроту. Одну обмотку, яку вмикають уджерело змінної напруги, називають первинною, другу обмотку, до якої приєднують«навантаження», що споживає енергію, називають вторинною (рис.5.2.12):
/>
Дія трансформатора ґрунтуєтьсяна явищі електромагнітної індукції. Якщо до первинної обмотки трансформатора,яка містить N1 витків, прикласти змінну напругу, то пообмотці буде проходити струм і створить в осерді циркулюючий магнітний потік:
Ф = Фmaxcost.
Цей потік, перетинаючи виткикотушок, створить у кожному з них ЕРС індукції, яка дорівнює:
1 = — NФ'= NФmaxsint /> i1= N1Фmaxsint, i2= N2Фmaxsint />
або
/>.
Якщо активний опір дротупервинної котушки значно менший від його індуктивного опору, то прикладенанапруга U1 = — 1.
Коли коло вторинної котушкирозімкнено (режим холостого ходу трансформатора), напруга U2на її кінцях в довільний момент часу дорівнює значенню ЕРС індукції 2,взятому з протилежним знаком. Тому
 />.
Це відношення називаютькоефіцієнтом трансформації
k: />.
Якщо k > 1,трансформатор буде знижувальним; якщо k
Трансформатор перетворює зміннийелектричний струм так, що відношення струму до напруги приблизно однакове впервинній і вторинній обмотках.
Трансформатор — це пристрійдосить високої ефективності. Коефіцієнт корисної дії  багатьох з нихдосягає 97%, тобто потужність, споживана первинною обмоткою, майже без втратпередається вторинній обмотці:
 
I1U1/> I2U2
Це забезпечується набираннямосердя із металевих пластинок, ізольованих між собою, та зменшенням унаслідокцього втрат через струми Фуко. У потужних трансформаторах використовуютьохолодження оливою.
В електричних схемахтрансформатор зображають так, як показано на рис.5.2.13.
/>
За допомогою трансформаторазнижують значення струму і збільшують напругу під час передавання електричноїенергії. Це сприяє зниженню теплових втрат (Q = I2Rt — закон Джоуля-Ленца). Ураховуючи, що потужність струму дорівнює добуткунапруги на струм, таке зменшення струму не змінить передаваної потужності.
Передавання електроенергії навеликі відстані здійснюють за напруг у декілька сотень тисяч вольтів. Генераторипотужних електростанцій виробляють струм з напругою від 6 до 20 кВ. Дляпередавання електроенергії від електростанцій використовують трансформатори дляпідвищення напруги до декількох сотень кіловольтів. На місцях споживанняелектроенергії за допомогою трансформаторів напругу зменшують (рис.5.2.14).
/>
Сучасна цивілізація немислимабез широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергієювеликого міста внаслідок аварії паралізує його життя.
Понад 90% споживаної людствоменергії отримують від спалювання вугілля, нафти, газу. Для цього використовуютьтеплові електростанції, на яких хімічна енергія палива перетворюється велектричну. За рахунок згоряння палива відбувається нагрівання води,перетворення її в пару і нагрівання пари. Струмінь пари високого тискуспрямовується на роторні лопаті парової турбіни і примушує його обертатися. Ротортурбіни обертає ротор генератора електричного струму. Генератор змінного струмуперетворює механічну енергію в енергію електричного струму.
Змінний струм від генератора попровідниках надходить до споживачів, де електрична енергія перетворюється вінші види енергії. За допомогою електродвигуна змінного струму енергіяелектромагнітних коливань перетворюється у механічну енергію, а в лампахрозжарювання, в спіралях електронагрівальних приладів електрична енергіязмінного струму перетворюється у внутрішню енергію. Електричну енергію широкозастосовують у промисловості, сільському господарстві, на транспорті тощо.