Производство, передача и потребление электрической энергии. Трансформатор

ТрансформаторПроизводить электрическую энергию разумно (и выгодно) там, где есть ее дешевые источники. Например, гидроэлектростанции разумно строить не на равнинных реках, а на горных. При наличии высокой плотины в горах при меньшем расходе воды (м3/с) можно получить ту же самую мощность гидроэлектростанции. При этом на равнине под водой в водохранилище оказываются огромные площади, пригодные для земледелия, а в горах водой закрываются склоны ущелий, на которых иногда и растительности-то нет.

Произведенную электроэнергию нужно передать туда, где ее будут использовать. Существуют очень масштабные энергоемкие производства, например производство алюминия. Его выгоднее разместить там, где находятся большие запасы руд, содержащих алюминий. Примеры тандемов «электростанция-производство» — это комплекс предприятий по выработке алюминия в г. Братске и гидроэлектростанция на Ангаре, Красноярская ГЭС и завод по переработке урана под Красноярском.

С точки зрения производства на выходе технических устройств (турбин ГЭС или турбин тепловых электростанций) оптимальными являются напряжения порядка десятка киловольт. Это связано с обеспечением безопасности работы устройств и с возможностями их технического обслуживания. Оптимальными с точки зрения передачи энергии на большие расстояния с использованием проводов (линий электропередач — ЛЭП) являются значительно более высокие напряжения, измеряемые сотнями киловольт. Оптимальность при передаче электроэнергии оценивается по доле потерь, связанных с выделением тепла в проводах, и с проводимостью воздуха.

Электроэнергия передается по пространству вдоль проводов. Плотность потока энергии самая большая вблизи поверхности проводов и убывает с расстоянием от провода по закону 1/х2. Вектор плотности потока энергии — это вектор Пойнтинга, равный векторному произведению вектора напряженности электрического поля на вектор напряженности магнитного поля.

Для повышения электрического напряжения при сохранении передаваемой мощности используют устройства, которые называются трансформаторами.

Рассмотрим магнитные поля, созданные токами, протекающими по двум расположенным недалеко друг от друга проводникам. Проводники не соприкасаются, то есть электрический контакт между ними отсутствует. Магнитные потоки в витках двух проводов создаются токами, текущими по этим проводам. Исходя из принципа суперпозиции, можно представить суммарные магнитные потоки в виде:

Ф1 = L1I1 + М12 I2

Ф2 = L2I2 + М21 I1

Здесь М12 и М21 — это коэффициенты взаимной индукции этих двух проводников. Доказывается (но мы этого делать не будем), что эти коэффициенты равны друг другу М12 = М21 = М, поэтому можно переписать формулы для магнитных потоков:

Ф1 = L1I1 + М I2

Ф2 = L2I2 + М I1

Желательно обеспечить наиболее сильную магнитную связь этих двух проводников. Для этой цели проводники располагают так, чтобы как можно больше силовых линий индукции магнитного поля, созданного одним проводником, прошло через контур, который образует другой проводник. Пусть витки изолированы и намотаны вплотную друг к другу на общий сердечник, заполняющий весь внутренний объем и имеющий магнитную проницаемость . Диаметры проволок считаются значительно меньше поперечных размеров сердечника, а длина сердечника значительно больше его поперечных размеров.

Пусть сопротивления проводников будут R1 и R2. Тогда при изменении токов на выводах проводников будут напряжения U1 и U2.

U1 = R1 I1 + d(L1I1 + М I2)/dt,

U2 = R2 I2 + d(L2I2 + М I1)/dt

Эти соотношения получены из закона Ома для замкнутого участка цепи.

Само такое устройство называется трансформатор. Проводники в нем называются катушками или обмотками. Та обмотка, к выводам которой подключают источник переменного тока, называется первичной. Есть первичная и, соответственно, вторичная обмотки. К выводам вторичной обмотки подключают нагрузку.