Трансформатор. Передача електроенергії на великій відстані

Електрорушійна сила потужних генераторів електростанцій досить велика. А на практиці найчастіше потрібна не дуже висока напруга. Перетворення змінного струму, за якого напруга збільшується чи зменшується в декілька разів майже без затрат потужності, здійснюється за допомогою трансформаторів.

Уперше трансформатор створив 1878 року російський вчений Яблочков, а на початку ХХ ст. його удосконалив професор Усатін і професор Київського університету Доліво-Добровольський. Трансформатор складається із замкненого осердя із феромагнетика, на якому розміщують дві (інколи більше) котушки у вигляді обмоток із дроту. Одну обмотку, яку вмикають у джерело змінної напруги, називають первинною, другу обмотку, до якої приєднують "навантаження", що споживає енергію, називають вторинною (рис.5.2.12):

Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Якщо до первинної обмотки трансформатора, яка містить N₁ витків, прикласти змінну напругу, то по обмотці буде проходити струм і створить в осерді циркулюючий магнітний потік:

Ф = Ф_maxcost.

Цей потік, перетинаючи витки котушок, створить у кожному з них ЕРС індукції, яка дорівнює:

₁ = - NФ' = NФ_maxsint _i1 = N₁Ф_maxsint, _i2 = N₂Ф_maxsint

або

.

Якщо активний опір дроту первинної котушки значно менший від його індуктивного опору, то прикладена напруга U₁ = - ₁.

Коли коло вторинної котушки розімкнено (режим холостого ходу трансформатора), напруга U₂ на її кінцях в довільний момент часу дорівнює значенню ЕРС індукції ₂, взятому з протилежним знаком. Тому

.

Це відношення називають коефіцієнтом трансформації

k: .

Якщо k > 1, трансформатор буде знижувальним; якщо k < 1 - підвищувальним.

Трансформатор перетворює змінний електричний струм так, що відношення струму до напруги приблизно однакове в первинній і вторинній обмотках.

Трансформатор - це пристрій досить високої ефективності. Коефіцієнт корисної дії  багатьох з них досягає 97%, тобто потужність, споживана первинною обмоткою, майже без втрат передається вторинній обмотці:

I₁U₁ I₂U₂

Це забезпечується набиранням осердя із металевих пластинок, ізольованих між собою, та зменшенням унаслідок цього втрат через струми Фуко. У потужних трансформаторах використовують охолодження оливою.

В електричних схемах трансформатор зображають так, як показано на рис.5.2.13.

За допомогою трансформатора знижують значення струму і збільшують напругу під час передавання електричної енергії. Це сприяє зниженню теплових втрат (Q = I²Rt - закон Джоуля-Ленца). Ураховуючи, що потужність струму дорівнює добутку напруги на струм, таке зменшення струму не змінить передаваної потужності.

Передавання електроенергії на великі відстані здійснюють за напруг у декілька сотень тисяч вольтів. Генератори потужних електростанцій виробляють струм з напругою від 6 до 20 кВ. Для передавання електроенергії від електростанцій використовують трансформатори для підвищення напруги до декількох сотень кіловольтів. На місцях споживання електроенергії за допомогою трансформаторів напругу зменшують (рис.5.2.14).

Сучасна цивілізація немислима без широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергією великого міста внаслідок аварії паралізує його життя.

Понад 90% споживаної людством енергії отримують від спалювання вугілля, нафти, газу. Для цього використовують теплові електростанції, на яких хімічна енергія палива перетворюється в електричну. За рахунок згоряння палива відбувається нагрівання води, перетворення її в пару і нагрівання пари. Струмінь пари високого тиску спрямовується на роторні лопаті парової турбіни і примушує його обертатися. Ротор турбіни обертає ротор генератора електричного струму. Генератор змінного струму перетворює механічну енергію в енергію електричного струму.

Змінний струм від генератора по провідниках надходить до споживачів, де електрична енергія перетворюється в інші види енергії. За допомогою електродвигуна змінного струму енергія електромагнітних коливань перетворюється у механічну енергію, а в лампах розжарювання, в спіралях електронагрівальних приладів електрична енергія змінного струму перетворюється у внутрішню енергію. Електричну енергію широко застосовують у промисловості, сільському господарстві, на транспорті тощо.