Трансформатор является прибором, которое используется для передачи и преобразования электрической энергии из одной катушки на сердечнике в другую. Частота переменного тока при этом не меняется.
Устройство является статическим, поскольку в нём нет элементов, которые двигаются или вращаются. Работает от сети переменного тока используя принцип электромагнитной индукции.
Генераторы, производящие электроэнергию, выдают ток с низким уровнем напряжения, не больше 18 кВ. Но, при передаче низковольтной электроэнергии на большие расстояния, из-за большой силы тока в линии возникают значительные потери. Если повысить напряжение, то при той же мощности сила тока снизится.
Повышение напряжения:
- Существенно снижает потери энергии в системе.
- Уменьшает капитальные затраты, так как уменьшается диаметр проводников.
- Облегчает регулировку напряжения.
При этом используется 2 трансформатора:
- Повышающий на передающей станции энергосистемы.
- Поскольку высоковольтная мощность не может быть передана потребителю, напряжение понижается на приёмной станции до приемлемых 380V.
Как устроен трансформатор?
Самый простой тип включает в себя 2 или более обмотки с изолированным проводом, намотанным на многослойный стальной сердечник. Если подключить переменный ток к одной катушке, называемой первичной, то железный сердечник, на который она намотана намагнитится. И во вторичной (выходной) катушке, из-за индукции появляется напряжение.
Разница между напряжением на первичной и выходной обмотках зависит от соотношения витков на них. На количество вырабатываемой электроэнергии влияет число витков провода вокруг сердечника. Чем их больше, тем выше будет напряжение.
Поэтому, если входная обмотка имеет больше витков, то на ней будет более высокое напряжение, чем на вторичной. Трансформатор считается повышающим, если на выходе у него большее напряжение, чем на входе. Если наоборот, то мы имеем дело с устройством, понижающим напряжение.
Как работает трансформатор?
Имеется металлический намагничиваемый сердечник, на который намотаны 2 или более катушек. Когда к одной из них подключают переменное напряжение, то вокруг появляется переменное магнитное поле. Оно индуцирует появление тока в проводнике вторичной обмотки. В результате если количество витков в катушках разное, прибор меняет при передаче электроэнергии входное напряжение.
Силовые трансформаторы могут быть устроены по-разному в зависимости от фазы, сердечника и типа подключения.Чаще всего используются однофазные и трехфазные.
Сердечники могут иметь различную форму, например, стержни и E-сердечники.
Вторичных катушек может быть несколько. Тогда появляется сразу несколько источников питания от входной обмотки. Что позволяет применять трансформаторы при разработке готовых систем, питающихся от одного устройства и с компонентами, требующими разного напряжения.
Эффективность работы
Несмотря на высокий КПД, прибор не идеален. В железе сердечника присутствует процесс, называемый гистерезисом. В переменном магнитном потоке молекулы поворачиваются, и для их обращения необходимо напряжение поля достаточной силы. Изменение положения молекул вызывает трение, которое вырабатывает тепло. Часть энергии уходит на нагрев сердечника. Эти потери можно уменьшить, изготовив пластины из специальных сплавов.
Трансформаторы с небольшой мощностью называются сухими, так как нагрев незначителен и тепло отводится с помощью излучения.
Мощные преобразователи напряжения нагреваются так, что приходится помещать их в ёмкости со специальным маслом, которое передает тепло на радиаторы. В свою очередь, радиаторы могут охлаждаться воздухом принудительно с помощью вентилятора.