Параметры электросети, требуемые для корректной работы электроприборов варьируют в зависимости от назначения приборов(бытовые/промышленные) и страны( от 110В до 240В).
При передаче электроэнергии на значительные расстояния, целесообразно повышать напряжение до нескольких сотен киловольт, с целью снижения потерь. Обратной стороной этой экономии является необходимость в установке подстанции на выходе из электростанции – для повышения напряжения до уровня, соответствующего классу ЛЭП, и серии подстанций для снижения напряжения до уровня потребителя. Основными компонентами таких подстанций являются трансформаторы напряжения.
Трансформаторы напряжения – это устройство, осуществляющее статическую электромагнитную трансформацию(изменение) напряжения тока. Принцип их работы основан на явлении электромагнитной индукции. Теоретические основы для создания трансформаторов были заложены Майклом Фарадеем и Джозефом Генри в 1830х годах. Первый трансформатор переменного тока был сконструирован Павлом Яблочковым в 1876.
Конструкция «классического» трансформатора напряжения включает:
- Две или более обмотки(нередко на катушке или каркасе). Одна из обмоток, называемая первичной, подключена к внешнему источнику переменного тока. При прохождении по ней тока, возникает электромагнитное поле, в свою очередь порождающее индукционные токи во вторичной(вторичных обмотках). Вторичные обмотки подключаются к потребителям.
- Сердечник из ферромагнитного мягко-магнитного материала(магнитопровод). Должен иметь контур определенной формы для образования магнитной цепи(разомкнутая конструкция сердечника имеет меньший КПД). В зависимости от его конструкции обмотка может либо заключать в себе сердечник (стержневая или тороидальная разновидности) либо содержаться в нем (броневая). При токах высоких частот, трансформатор может не содержать магнитопровода(высокочастотное магнитное поле, образующееся в этом случае, приводит к значительным потерям мощности и разогреву сердечника). Такой трансформатор называется воздушным.
- Система охлаждения. Хотя современные модели трансформаторов имеют КПД приближающийся к 100%, для мощных трансформаторов существует проблема перегрева обмоток. Так, для трансформатора электростанции эффективной мощностью 1ГВт, мощность, рассеиваемая в виде тепла, может достигать нескольких МВт. Используются следующие системы охлаждения: «сухая» или воздушная(при малой, до 16000кВт, мощности), водяная, масляная.
- Прочие элементы: изоляция, выводы обмоток и т.д.
Автотрансформаторами называют разновидность трансформаторов, в конструкции которых первичная и вторичная обмотки соединены и, таким образом, имеют не только магнитное, но и прямое электрическое взаимодействие. Появление автотрансформаторов связано с рядом преимуществ такого конструктивного подхода:
- объединение обмоток позволяет снизить потери мощности на преобразование напряжения(особенно в случае небольшой разницы между входным и выходным напряжениями);
- частичное преобразование мощности, осуществляемое в автотрансформаторе, позволяет снизить размеры сердечника, количество обмотки, как следствие, снизить вес и габариты устройства в целом;
- уменьшение рассеиваемой мощности снижает требования к системе охлаждения;
- в сумме, предыдущие три положения приводят к удешевлению преобразования напряжения, что дает особенно ощутимый экономический эффект при использовании в промышленных электросетях;
В то же время, необходимо отметить, что автотрансформаторы обладают одним существенным недостатком, связанным с отсутствием гальванической развязки между первичной и вторичной обмоткой. При отсутствии гарантированного заземления нулевого провода, авария автотрансформатора может привести к пробою изоляции и образованию прямого электрического контакта высоковольтного источника напряжения и компонентов цепи не предназначенных для этого. Обычно, в бытовых условиях используются трансформаторы классической конструкции, обеспечивающие большую безопасность.
Автор: websword (Неутов Александр Степанович)
