Какие устройства используются для преобразования напряжения?
Для эксплуатации электрической энергии необходимы постоянные преобразования. Во время транспортировки напряжение повышается до сотен киловольт (до 1150 кВ включительно), а в местах потребления оно снижается до стандартных значений 380 (220) вольт. Компоненты оборудования часто требуют еще меньших напряжений, ниже привычных бытовых 220 В.
Силовые трансформаторы напряжения (ТН) обеспечивают трансформацию переменного напряжения до нужных показателей. Они принимают исходное напряжение на первичные обмотки и выдают необходимое значение на вторичных. Высокие номинальные мощности обслуживаются трехфазными трансформаторами подстанций и масляными устройствами. Однофазные понижающие трансформаторы применяются для питания электротехнического оборудования.
Импульсные блоки питания становятся всё популярнее благодаря использованию высоких частот переменного тока. Такие устройства встречаются в компьютерах, бытовой технике, электроприборах и сварочных инверторах. Отказавшись от традиционных трансформаторов частотой 50 Гц, современные решения стали значительно компактнее и легче, однако продолжают использовать импульсные трансформаторы, работающие на частотах десятков килогерц.
Как устроены и работают трансформаторы напряжения?
Все типы трансформаторов функционируют на основе явления электромагнитной индукции, при которой изменение внешнего магнитного поля создает электрическое поле в проводниках.
Рассмотрим упрощённую схему трансформатора. Она включает две обмотки из медного изолированного провода (первичная и вторичная), соединенные общим магнитопроводом. Обмотки могут располагаться либо на одной катушке, либо на отдельных катушках двух сердечников единого магнитопровода. Магнитный поток проходит через обе катушки по центральной оси. Магнитопроводы изготавливаются из пластин электротехнической стали или стальной ленты для минимизации вихревых токов. Импульсные трансформаторы имеют ферритовые сердечники.
Процесс преобразования напряжения в ТН происходит следующим образом: при подаче переменного напряжения на вход трансформатора вокруг первичной катушки возникает электромагнитное поле. Сердечник усиливает формирование переменных магнитных потоков, которые проходят через вторичную обмотку и индуцируют электродвижущую силу (ЭДС). Подключенная нагрузка вызывает протекание тока во вторичных цепях.
Коэффициент трансформации определяет соотношение выходного и входного напряжения и зависит от числа витков обмоток:
- Понижающий трансформатор имеет меньше витков во вторичной обмотке, чем в первичной.
- Повышающий трансформатор характеризуется большим числом витков во вторичной обмотке относительно первичной.
- Разделительные трансформаторы обладают одинаковым числом витков (коэффициент трансформации = 1), обеспечивая гальваническую развязку сетей.
Рассмотренный пример относится к однофазному силовому трансформатору, однако аналогичные принципы применимы и к трёхфазным устройствам.
