1. Зачем нам это читать? ... или роль трансформаторов в нашей жизни.
Знаете ли вы, что до конца ХIХ века передача электроэнергии на дальние расстояния была большой проблемой, и электричеством пользовались только в непосредственной близости от мест, где она воспроизводилась? Особенно остро вопрос о транспортировке электроэнергии стал с изобретением электрического освещения, в котором стали остро нуждаться улицы крупных мегаполисов, стоящих на значительном расстоянии от электростанций.
Оказывается, проблемой для передачи электроэнергии на дальние расстояния стали огромные потери в проводах при неспособности энергетиков того времени поднять напряжение до необходимой величины. В 1870 году русский физик и электротехник Д.А. Лачинов первым доказал обратно пропорциональную зависимость потерь электроэнергии от напряжения.
Чем дальше вы собираетесь транспортировать электричество, тем выше должно быть напряжение. Для передачи электроэнергии в современных силовых сетях поднимают напряжение до 500 000 вольт и более. Ни одна современная электрическая машина не способна сгенерировать такое напряжение.
Проблеском света в конце тоннеля стало создание первого трансформатора русским электротехником, военным инженером П.Н. Яблочковым в тандеме с русским физиком и изобретателем И.Ф. Усагиным.
Электричество с электростанции подается на повышающий трансформатор, трансформируется до необходимой величины и передается в пункт назначения, где его необходимо понизить, иначе на том конце провода вас не поймут))).
2. Как устроен однофазный трансформатор переменного тока
Основой любого трансформатора является сердечник. Его собирают из листов специальной стали (электротехнической), в которую при плавке добавили 4% кремния с целью ухудшить её проводимость. Каждый лист с обеих сторон покрыт лаком. Все это меры по борьбе с вредными вихревыми токами*, которые возникают в любых деталях из стали, помещенных в переменное магнитное поле.
На левый и правый стержни сердечника надеваются катушки из медного провода, намотанного на бобины из изолирующего материала (к примеру, бакелит). Одну из катушек подключают к источнику переменного тока, она будет называться первичной. Вторая катушка, подключенная к потребителю, получила название вторичной.
Если первичная катушка имеет большее число витков, чем вторичка, к потребителю пойдет ток, меньший по значению, чем на источнике переменного тока, такой трансформатор называется понижающим. Логично, что трансформатор, у которого на вторичке число витков больше, чем на первичке, будет повышающим.
3. Как работает трансформатор?
Что такое ЭДС?
В 1831 году ученый М. Фарадей выполнил опыт, суть которого заключается в том, что в катушку из медного провода, на концах которой был подключен регистрирующий прибор (потенциометр), заводили постоянный магнит. Стрелка потенциометра отклонялась в сторону до тех пор, пока магнит был в движении. Стоило ему замереть даже внутри катушки, стрелка потенциометра падала на ноль.
Пересечение витков катушки магнитным полем наводит внутри витков силу, которая заставляет перемещаться свободные электроны металла в заданном направлении. Эту силу назвали электродвижущей (ЭДС). Выводим магнит из полости катушки, и стрелка отклоняется в противоположную сторону, показывая наличие ЭДС, но уже в противоположном направлении. Тот же самый процесс возникнет, если в магнитном поле перемещать проводник перпендикулярно линиям магнитной индукции.
Если на концы катушки или проводника, находящихся под воздействием переменного магнитного поля, подключить потребитель, под влиянием ЭДС по цепи пойдет ток.
Что такое переменный ток?
Простейшим генератором, наводящим переменную ЭДС, является вращающаяся медная рамка* в магнитном поле. В тот момент, когда стороны рамки пересекают линии магнитной индукции перпендикулярно, в рамке наводится ЭДС.
Через какой-то промежуток времени рамка разворачивается на 90 градусов, и ее стороны скользят параллельно линиям магнитной индукции. В этот момент ЭДС равна нулю. Вращение продолжается, и сторона, которая была под северным полюсом, оказывается под южным. Направление ЭДС в ней меняется на противоположное.
Синусоида наглядно показывает все процессы, происходящие в цепи, по которой течет переменный ток. Направление в какую-либо из сторон условно принимают положительным и отображают выше оси Х (абсцисса). В точке, где величина ЭДС равна нулю, стороны рамки скользят параллельно линиям магнитной индукции, график ниже оси Х — отрицательный полупериод, когда сторона рамки зашла под другой полюс, направление ЭДС изменилось.
От электростанции к потребителю в нашей квартире ток идет в положительный полупериод от фазы к нулю. Как только положительный полупериод сменится на отрицательный (на синусоиде ниже нуля), потенциал фазы становится ниже потенциала нуля, и заряженные частицы идут от нуля к фазе.
В России промышленная частота тока 50 Герц. Это значит, что ток меняет свое направление в электрической цепи 50 раз в секунду.
Вихревые токи
Сердечник любой электрической машины стальной. По сути, это проводник, подверженный воздействию переменного магнитного поля. В сердечнике, помещённом в переменное магнитное поле, наводится ЭДС и возникают короткозамкнутые токи, идущие по пути наименьшего сопротивления, траектория которых натолкнула на мысль назвать их «вихревыми».
Цельный прямоугольный стержень, помещённый в переменное магнитное поле, начинает раскаляться. На принципе вихревых токов работают сталеплавильные печи, так что сердечник может и расплавиться. Величина вихревых токов зависит от частоты переменного магнитного поля, материала, из которого выполнен стержень, и его сечения. Так что же мешает сделать стержень набранным из тонких листов стали? Тем самым уменьшается сечение проводника. Набираем стержень из тонких листов стали, покрытых с обеих сторон слоем лака, а сопротивление самой стали увеличим соответствующими добавками при плавке. Вихревые токи уменьшатся значительно, но, к сожалению, избежать их полностью не удастся.
Как работает трансформатор
Подключим первичную обмотку трансформатора к источнику переменного тока. В положительный полупериод ток устремится от фазы через витки первичной катушки к нулю (Не забываем, что витки изолированы от сердечника). При прохождении тока вокруг витков катушки возникает магнитное поле, которое устремляется в сердечник, так как проводимость стали на порядок выше воздуха. Не зря сердечник имеет второе название — магнитопровод.
По сердечнику начинает циркулировать магнитный поток, направление которого будет зависеть от направления тока в витках первичной катушки. Положительный полупериод сменится на отрицательный, направление магнитного потока изменится, а на втором стержне сердечника стоит вторичная катушка. В результате переменный магнитный поток пересекает витки вторичной катушки, наводя в ней ЭДС.
Трансформатор — обратимая электрическая машина, может работать как в роли повышающего трансформатора, так и в качестве понижающего, но на практике трансформатор стараются ставить либо в одном качестве, либо в другом.
Если первичная катушка подключена к источнику переменного тока, а на вторичной нет потребителя, трансформатор работает в режиме холостого хода. В режиме холостого хода можно определить коэффициент трансформации как отношение напряжений первичной и вторичной катушек. Вешаем на выводы вторичной катушки потребитель, и по цепи под действием ЭДС течет ток.
4. Масляные трансформаторы. Устройство и принцип работы
Под нагрузкой трансформаторы греются. Чем выше ток в обмотках, тем больше столкновений электронов с атомами проводника, растет температура обмоток, растут вихревые токи, дополнительно добавляя температуру. Мощные трансформаторы нуждаются в охлаждении, поэтому оптимальнее всего их делать масляными.
В стальном баке закрепляют активную часть (сердечник с первичной и вторичной обмотками) и заливают трансформаторным маслом. Масло является диэлектриком и прекрасно отводит тепло. Трансформаторы мощностью свыше 10 кВА оснащают радиаторными трубками, по которым масло, забравшее тепло у активной части, устремляется в верхнюю часть бака (конвекция), попутно отдавая свое тепло стенкам трубок.
Бак закрыт крышкой с уплотнительной прокладкой из маслостойкой резины, предотвращая утечки и контакт масла с воздухом (кислород оказывает негативное воздействие на качество масла). При работе трансформатора под нагрузкой активная часть начинает греться, и объем масла увеличивается. Компенсировать увеличение объема нагретого масла призван расширительный бак. Сквозь крышку проходят выводы обмоток высокого и низкого напряжения, пропущенные в керамических изоляторах.
При возникновении аварийных ситуаций (короткое замыкание обмоток), когда ток, а за ним и температура резко возрастают, масло начинает кипеть, выделяя газ. В качестве защиты сквозь крышку проходит трубка, запаянная стеклом. Давлением газа стеклянную пробку выбивает, а газовое реле, расположенное в полости трансформатора, снимает напряжение с обмоток.
В тяговых трансформаторах (мощность 5000 кВА) выполнена уже серьезная система с принудительным охлаждением. Масляный насос с приводом от электродвигателя забирает масло в верхней части бака и гонит его в шесть радиаторных секций, состоящих из большого количества медных трубок с оребрением. Радиаторные секции охлаждаются потоком воздуха, нагнетаемого мотор-вентиляторами.
Уровень масла в расширительном баке под строгим контролем персонала осуществляется по масломерному стеклу. Из-за высокого переменного напряжения выводы обмоток проходят дополнительно сквозь латунную плиту, смонтированную на крышке бака. Цветной металл не магнитится, а значит, появление вихревых токов в нем проблематично, что спасает крышку бака от нагрева.
Эпилог
Подведем итоги по прочитанному материалу.
1. Трансформатор — несомненно электрическая машина, да еще и переменного тока. Подключите первичку к источнику постоянного тока, и никакого изменения магнитного поля не будет, не будет ЭДС, не будет преобразования напряжения;
2. Ни одна деталь в трансформаторе не вращается, значит это — статическая электрическая машина;
3. Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции;
4. Трансформатор преобразует одно переменное напряжение в другое.
Вывод: Трансформатор — статическая электрическая машина переменного тока, работа которой основана на явлении электромагнитной индукции, преобразующая одно переменное напряжение в другое.
В заключение обращу внимание читателей на наличие терминов, отмеченных снежинкой*, описание назначения которых можно будет встретить в следующих статьях, или информацию о них можно почерпнуть в наших коротких развивающих фильмах на нашем телеграм-канале https://t.me/mihailsilko24 или в набирающем в последнее время популярность «Рутубе» https://rutube.ru/channel/22129608/.
Приглашаем посмотреть более 50-ти коротких обучающих фильмов, посвященных назначению, устройству и принципу работы различных узлов и агрегатов тепловозов и электровозов. Отписаться никогда не поздно, так что заходите на наш канал))). До скорых встреч!
