Роль и назначение трансформаторов при передаче электроэнергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. ИСЛАМА КАРИМОВА

АЛМАЛЫКСКИЙ ФИЛИАЛ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Самостоятельная работа

Тема

Роль и назначение трансформаторов при передаче электроэнергии

Выполнил:Студент 6С-19 «ГЭМ» - Арипов Б.Н.

Проверил:____________________ - Муминов М.У.

АЛМАЛЫК-2020

Введение

Электроэнергия, один из самых важных видов энергии, играет огромную роль в современном мире. Она является стержнем экономик государств, определяя их положение на международной арене и уровень развития. Огромные суммы денег вкладываются ежегодно в развитие научных отраслей, связанных с электроэнергией.

Электроэнергия является неотъемлемой частью повседневной жизни, поэтому важно владеть информацией об особенностях её производства и использования.

I. Трансформаторы

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

Схема устройства трансформатора

1 - первичная обмотка трансформатора

2 - магнитопровод

3 - вторичная обмотка трансформатора

Ф - направление магнитного потока

U₁ - напряжение на первичной обмотке

U₂ - напряжение на вторичной обмотке

Первые трансформаторы с разомкнутым магнитопроводом предложил в 1876 г. П.Н. Яблочков, который применил их для питания электрической "свечи". В 1885 г. венгерские ученые М. Дери, О. Блати, К. Циперновский разработали однофазные промышленные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. В 1889-1891 гг. М.О. Доливо-Добровольский предложил трехфазный трансформатор.

2.Назначение

Трансформаторы широко применяются в различных областях:

1. Для передачи и распределения электрической энергии

Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.

Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В.

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя (преобразовательные трансформаторы).

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.

4. Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.

5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. (измерительные трансформаторы)

3.Классификация

Классификация трансформаторов:

1. По назначению: силовые общего(используются в линиях передачи и распределения электроэнергии) и специального применения (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы).

2. По виду охлаждения: с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.

3. По числу фаз на первичной стороне: однофазные и трёхфазные.

4. По форме магнитопровода: стержневые, броневые, тороидальные.

5. По числу обмоток на фазу: двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).

6. По конструкции обмоток: с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.

4.Устройство

Простейший трансформатор (однофазный трансформатор) представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток.

Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора

Магнитопровод представляет собой магнитную систему трансформатора, по которой замыкается основной магнитный поток.

При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки.

Условное обозначение трансформатора:

а) - трансформатор со стальным сердечником, б) - трансформатор с сердечником из феррита

5.Характеристики трансформатора

Номинальная мощность трансформатора - мощность, на которую он рассчитан.

Номинальное первичное напряжение - напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора.

Номинальное вторичное напряжение - напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающееся при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки.

Номинальные токи, определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.

Высшее номинальное напряжение трансформатора - наибольшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.

Низшее номинальное напряжение - наименьшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.

Среднее номинальное напряжение - номинальное напряжение, являющееся промежуточным между высшим и низшим номинальным напряжением обмоток трансформатора.

6.Режимы

Холостой ход

Режимом холостого хода - режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение.

В первичной обмотке трансформатора, соединенной с источником переменного тока течёт ток, в результате чего в сердечнике появляется переменный магнитный поток , пронизывающий обе обмотки. Так как одинаков в обеих обмотках трансформатора, то изменение приводит к появлению одинаковой ЭДС индукции в каждом витке первичной и вторичной обмоток. Мгновенное значение ЭДС индукции в любом витке обмоток одинаково и определяется формулой:

,

где - амплитуда ЭДС в одном витке.

Амплитуда ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках будет пропорционально числу витков в соответствующей обмотке:

где и - число витков в них.

Падение напряжения на первичной обмотке, как на резисторе, очень мало, по сравнению с , и поэтому для действующих значений напряжения в первичной и вторичной обмотках будет справедливо следующее выражение:

- коэффициент трансформации. При трансформатор понижающий, а при - повышающий.

Режим короткого замыкания

Режимом короткого замыкания - режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю .

Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

Необходимо различать два режима короткого замыкания:

1. Аварийный режим - тогда, когда замкнута вторичная обмотка при номинальном первичном напряжении. При таком замыкании токи возрастают в 15ё 20 раз. Обмотка при этом деформируется, а изоляция обугливается. Железо так же подгорает. Это тяжелый режим. Максимальная и газовая защита отключает трансформатор от сети при аварийном коротком замыкании.

2. Опытный режим короткого замыкания - это режим, когда вторичная обмотка накоротко замкнута, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, когда по обмоткам протекает номинальный ток - это - напряжение короткого замыкания.

В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора. При этом выраженное в процентах напряжение , при обозначают и называют напряжением короткого замыкания трансформатора:

где - номинальное первичное напряжение.

Это характеристика трансформатора, указываемая в паспорте.

Нагрузочный режим

Нагрузочный режим трансформатора - режим работы трансформатора при наличии токов не менее чем в двух его основных обмотках, каждая из которых замкнута на внешнюю цепь, при этом не учитываются токи, протекающие в двух или более обмотках в режиме холостого хода:

Если к первичной обмотке трансформатора подключить напряжение , а вторичную обмотку соединить с нагрузкой, в обмотках появятся токи и . Эти токи создадут магнитные потоки и , направленные навстречу друг другу. Суммарный магнитный поток в магнитопроводе уменьшается. Вследствие этого индуктированные суммарным потоком ЭДС и уменьшаются. Действующее значение напряжения остается неизменным. Уменьшение вызывает увеличение тока :

При увеличении тока поток увеличивается ровно настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие потока . Вновь восстанавливается равновесие при практически прежнем значении суммарного потока.

7.Передача электроэнергии

Передача электроэнергии от электростанции к потребителям - одна из важнейших задач энергетики.

Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока.

Необходимость передачи электроэнергии на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации генерирующих мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии. От эффективности передачи электроэнергии на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.

Передавать электроэнергию от мест её производства к потребителям необходимо с минимальными потерями. Главная причина этих потерь - превращение части электроэнергии во внутреннюю энергию проводов, их нагрев.

Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты Q, выделяемое за время t в проводнике сопротивлением R при прохождении тока I , равно:

Из формулы следует, что для уменьшения нагрева проводов необходимо уменьшать силу тока в них и их сопротивление. Чтобы уменьшить сопротивление проводов, увеличивают их диаметр, однако, очень толстые провода, висящие между опорами линий электропередач, могут оборваться под действием силы тяжести, особенно, при снегопаде. Кроме того, при увеличении толщины проводов растёт их стоимость, а они сделаны из относительно дорогого металла - меди. Поэтому более эффективным способом минимизации энергопотерь при передаче электроэнергии служит уменьшение силы тока в проводах.

Таким образом, чтобы уменьшить нагрев проводов при передаче электроэнергии на дальние расстояния, необходимо сделать силу тока в них как можно меньше.

Мощность тока равна произведению силы тока на напряжение:

Следовательно, для сохранения мощности, передаваемой на дальние расстояния, надо во столько же раз увеличить напряжение, во сколько была уменьшена сила тока в проводах:

Из формулы следует, что при постоянных значениях передаваемой мощности тока и сопротивления проводов потери на нагрев в проводах обратно пропорциональны квадрату напряжению в сети. Поэтому для передачи электроэнергии на расстояния в несколько сотен километров используют высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), напряжение между проводами которых составляет десятки, а иногда сотни тысяч вольт.

С помощью ЛЭП соседние электростанции объединяются в единую сеть, называемую энергосистемой. Единая энергосистема России включает в себя огромное число электростанций, управляемых из единого центра и обеспечивает бесперебойную подачу электроэнергии потребителям.

Список использованной литературы

трансформатор электромагнитный электроэнергия

1.Электротехника: Учебно-методический комплекс. /И. М. Коголь, Г. П. Дубовицкий, В. Н. Бородянко, В. С. Гун, Н. В. Клиначёв, В. В. Крымский, А. Я. Эргард, В. А. 2.Яковлев; Под редакцией Н. В. Клиначёва. - Челябинск, 2006-2008.

3.Электрические системы, т. 3 - Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения, М., 1972.

4.Яворский Б. М., Детлаф А. А., Справочник по физике для инженеров и студентов вузов, М.: Наука, - 2-е изд., - 1964, - 848с.

5.Автомобильный справочник BOSCH. Перевод с англ. Первое русское издание. - М.: За рулем, 2002. - 896 с.

6.Доцент кафедры МСА Кузнецов М.И., Краткий конспект лекций по курсу «Электромеханические системы». - Пермь, 2001.

7.Богданов К.Ю., Физика. 11 класс. Учебник. - М.: Просвещение, 2010. - 208 с.

8.Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н., Физика. 11 класс. Учебник.19-е изд. - М.: Просвещение, 2010. - 399 с.

9.Электрические сети, оборудование, документация, инструкции // http://leg.co.ua

Размещено на Allbest.ru