Трансформаторы напряжения: принцип работы и применение
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. 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. 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.
Устройство и принцип действия трансформатора
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.
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.
Благодаря наличию сердечника (магнитопровода), магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой трансформатора, не рассеивается где попало, а сосредоточен главным образом в ограниченном сердечником объеме. Можно сказать, что железо сердечника увеличивает индуктивность первичной обмотки, то есть повышает ее способность создавать магнитный поток при прохождении тока, и улучшает свойство препятствовать нарастанию тока при приложении к выводам обмотки напряжения.
Вторичная обмотка является у трансформатора принимающей. Она принимает изменяющийся магнитный поток, порождаемый током первичной обмотки, и посылаемый благодаря магнитопроводу сквозь свои витки. Изменяющийся с определенной скоростью магнитный поток, пронизывающий витки вторичной обмотки, по закону электромагнитной индукции наводит в каждом ее витке определенную ЭДС.
Здесь своевременным будет отметить, что чем быстрее изменяется магнитный поток в сердечнике, тем большее напряжение наводится на каждом витке вторичной обмотки трансформатора. Если копнуть глубже, то изменяющийся магнитный поток в сердечнике создает в пространстве вокруг себя электрическое поле, напряженность которого тем больше, чем выше скорость изменения магнитного потока, и чем больше величина этого изменяющегося магнитного потока.
Магнитный поток, порождаемый током вторичной обмотки, то есть током нагрузки, окажется направлен (см. Возникновение противоположного первичному, вторичного магнитного потока внутри сердечника, в качестве эффекта от подключенной нагрузки, эквивалентно уменьшению индуктивности первичной обмотки.
Для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжения другой величины, используют трансформатор напряжения.
Применение ёмкостных трансформаторов напряжения
Трансформаторы напряжения являются одним из важнейших элементов электрических систем и сетей. Ёмкостные трансформаторы напряжения являются одним из распространенных типов трансформаторов напряжения. Согласно закону распределения напряжений в последовательной цепи, напряжение на каждой ёмкости будет обратно пропорционально её ёмкости. Выходное напряжение снимается с ёмкости C2.
Ёмкостные трансформаторы играют значительную роль в электротехнике и науке благодаря своей способности измерения высоких токов и напряжений, обеспечивая точность и стабильность в работе систем.
Для наглядности, можно представить основные параметры и характеристики трансформаторов в виде таблицы:
| Параметр | Описание |
|---|---|
| Первичное напряжение | Напряжение, подаваемое на первичную обмотку |
| Вторичное напряжение | Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки |
| Коэффициент трансформации | Отношение первичного напряжения к вторичному |
| Мощность | Максимальная мощность, которую может передать трансформатор |
| Частота | Частота переменного тока, для которой предназначен трансформатор |