Эксплуатация электрической энергии требует постоянных ее преобразований. Для снижения потерь при транспортировке она требует увеличения напряжения до сотен киловольт (вплоть до 1150 кВ), в местах потребления электроэнергии напряжение переменного тока наоборот снижается для привычных 380 (220) вольт. Да и компоненты самого электрооборудования зачастую нуждаются в более низких напряжениях, нежели привычные 220 вольт.
Трансформация переменного напряжения до требуемых величин производится при помощи силовых трансформаторов напряжения (ТН), специальных устройств, на контакты первичных обмоток которых подается исходное напряжение, а со вторичных обмоток снимается требуемое его значение. Напряжение для линий электропередач и потребителей преобразуется посредством силовых трехфазных трансформаторов подстанций, масляных трансформаторов, рассчитанных на высокие номинальные мощности. Питание электротехники обеспечивает применение понижающих однофазных трансформаторов.
Сегодня все чаще находят применение импульсные блоки питания, использующие более высокие частоты переменного тока. Их можно встретить в компьютерах, любой бытовой технике, электроприборах, сварочных инверторах и т.д. За счет отказа от силовых трансформаторов номинальной частоты 50 Гц, они в разы компактнее, легче, однако и они не обходятся без импульсных трансформаторов, работающих на частотах в десятки килогерц.
Устройство и принцип действия ТН
В своем принципе действия силовые, как в принципе и трансформаторы любого другого назначения опираются на электромагнитную индукцию – физическое явление, отвечающее за появление электрического поля в проводниках при изменениях внешнего магнитного поля.
Чтобы понять принцип действия трансформатора, рассмотрим его упрощенную схему. Как правило, она представлена двумя обмотками из медного изолированного провода (первичной и вторичной) объединенными единым замкнутым магнитопроводом. Обмотки могут находиться на одной катушке, двумя отдельными катушками быть расположены на разных сердечниках одного магнитопровода, но суть их кроется в одном – магнитный поток проходит через центральные оси обеих катушек. Тело магнитопровода может быть собрано из пластин электротехнической стали (для снижения вихревых токов) или навито из стальной ленты. Для импульсных трансформаторов их изготавливают ферритовыми.
Преобразования переменного напряжения в ТН происходят следующим образом. При подаче на вход трансформатора переменного напряжения вокруг витков первичной катушки образуется электромагнитное поле, формированию переменных магнитных полей способствует сердечник магнитопровода. Проходя через обмотки вторичной катушки, переменное магнитное поле наводит в ней ЭДС индукции, которая в случае подключения нагрузки вызывает появление тока во вторичных цепях.
Соотношение выходного напряжения к входному определяется коэффициентом трансформации, который также зависит от соотношения витков вторичной и первичной обмоток, так:
- для понижающего трансформатора количество витков вторичной обмотки меньше чем первичной,
- у повышающего трансформатора, наоборот количество витков вторичной обмотки превышает первичную,
- в случае, когда количество витков совпадает (коэффициент трансформации равен 1), напряжения также будут равны, такая конструкция характерна для разделительных трансформаторов, их целью считается обеспечение гальванической развязки сетей.
Принцип работы мы рассмотрели на примере однофазного силового трансформатора, однако сказанное справедливо и в отношении трехфазных ТН.