uabooks.top

Az elektromos energia egyik legnagyobb előnye abban rejlik, hogy nagy távolságokra továbbítható, például vezetékek segítségével. Ugyanakkor eközben óhatatlanul veszteség lép fel, különösen a vezetékek melegedésekor. Joule-Lenz törvénye alapján a vezetéken felszabaduló hőmennyiség: Q - PRt. Tehát az energiaveszteség csökkentése érdekében csökkentik: 1) a vezetők ellenállását; 2) az áramerősséget. Megvizsgáljuk, mindez hogyan valósítható meg a gyakorlatban.

Miért kell megváltoztatni a feszültséget?

A vezetékek aktív ellenállását annak anyaga, hossza és keresztmetszete

határozza meg:

Tehát a vezetékek ellenállásának csökkentéséhez csökkenteni kell az anyag p fajlagos ellenállását, vagy növelni a vezeték S kereszt-metszetét.

A vezetékek keresztmetszetének növelése azok jelentős tömegnövekedéséhez vezet, ami végső soron nagyobb anyagi ráfordítást igényel a vezetékek, támoszlopok gyártásánál. A fajlagos ellenállás csökkenthető, ha az acélhuzalokat alumínium vezetékekre cserélik. így járnak el nagy távolságra történő szállítás esetén. Viszont ez sem oldja meg teljes egészében a problémát: először is, az alumínium jóval drágább az acélnál; másodszor, jelentős teljesítmények (P = UI) viszonylag alacsony feszültség melletti továbbítására magas áramerősségre van szükség, ezért kis ellenállás mellett is nagy az energiaveszteség.

Ha ugyanazt a teljesítményt nagyfeszültségen továbbítják (ennek megfelelően alacsony áramerősséggel), az energiaveszteség jelentősen csökken. Például a feszültség 10-szeres növelése során az áramerősség 10-edére csökken, tehát a vezeték felszínén felszabaduló hőmennyiség 100-adára csökken. Ezért, mielőtt az energiát nagy távolságokra továbbítanák, növelni kell a feszültséget. És ellenkezőleg: miután az energia a felhasználóhoz került, a feszültséget csökkenteni kell. Az ilyen feszültségváltoztatás transzformátor segítségével érhető el.

A transzformátor felépítése és működési elve

A transzformátor (latin transformo - átalakítani) elektromágneses szerkezet, amely egy adott feszültségű váltakozó áramot többször nagyobb vagy kisebb feszültségű váltakozó árammá alakítja át változatlan frekvencia mellett.

A legegyszerűbb transzformátor zárt acélmagból (mágnesvezeték) és két tekercsből áll (21.1. ábra). A mag vékony transzformátorcél-lemezekból készült, a tekercsek pedig szigetelt vezetékből. Az első, Ni menetes primer tekercset váltakozó áramú áramforrásra csatlakoztatják, a második, N₂ menetes szekunder tekercsre a fogyasztót kapcsolják.

A transzformátor működése az elektromágneses indukció elvén alapszik. Ha a transzformátor primer tekercse váltakozó áramú forráshoz van kapcsolva, akkor a menetein folyó áram a zárt magban váltakozó Φ mágneses fluxust hoz létre. A primer és szekunder tekercs meneteit átszelő' váltakozó mágneses fluxus βχ önindukciós EME-t hoz létre a primer tekercsben és e₂ indukciós EME-t a szekunder tekercsben.

Az elektromágneses indukció törvénye alapján a primer és szekunder tekercsek meneteiben indukálódott EME (e) a következő' képlettel határozható meg:

A primer tekercs Νχ menetszámú, a szekunder tekercs N₂ menetszámú, tehát megfele-ló'en

Mivel az EME-t ugyanaz a mágneses fluxus hozza létre, ezért a primer és szekunder tekercsek indukciós EME-jének fázis-különbsége nulla. Ezért bármely időpontban:

ahol βχ és e₂ ^{— az} EME pillanatnyi értékei; JTχ és áf₂ - a primer és szekunder tekercsek EME-jének effektív értékei. Másfelől:

Tehát a transzformátor primer és szekunder tekercsein indukált EME effektív értékeinek aránya egyenlő a tekercsek menetszámainak arányával:

A k hányadost menetszám-áttételnek nevezzük.

Ha a menetszám-áttétel egynél nagyobb (k > 1), a transzformátort feszültségcsökkentőnek nevezzük. Az ilyen transzformátorokban a primer tekercs több vezetékmenetet tartalmaz, mint a szekunder.

A transzformátort feszültségnövelőnek nevezzük, ha a menetszám-áttétel kisebb egynél (k < 1). Ebben az esetben a primer tekercs menetszáma kisebb a szekunder tekercsénél.

A transzformátor üresjárata

Megvizsgáljuk, hogyan működik a transzformátor, amelynek szekunder tekercse nyitott (21.2. ábra). A terhelés nélküli transzformátor működését üresjáratnak nevezzük.

A transzformátor primer tekercse váltakozó áramú áramforráshoz van kapcsolva, amelynek kimeneti feszültsége щ. A tekercsen az áram áthaladásakor e_x öninduktív EME jön létre. A primer tekercsen a feszültségcsökkenés:

a tekercs

ellenállása, amelyet figyelmen kívül hagyunk. Tehát bármely időpontban

ezért a

feszültség és az indukciós EME effektív értékeire érvényes az

egyenlőség.

A szekunder tekercsre nem megy áram (a tekercs nyitott), ezért annak végein a feszültség egyenlő az indukciós EME értékével

Tehát üresjárat esetén érvényes a következő egyenlőség:

Ha a primer tekercs meneteinek száma nagyobb a szekunder tekercs meneteinek számánál (k > 1), akkor a transzformátor csökkenti a feszültséget (U\ > U₂). Ellenkezőleg, ha a primer tekercs meneteinek száma kisebb a szekunder tekercs meneteinek számánál (k < 1), akkor a transzformátor növeli a feszültséget (t/i < U₂). Kiválasztva a primer és szekunder tekercsek menetszámait, a feszültség kellő mértékben növelhető, illetve csökkenthető.

Jegyezzétek meg:

1) a transzformátor nem képes egyenáramú feszültséget átalakítani, mivel ebben az esetben a mágneses fluxus nem változik, és nem jön létre indukciós EME;

2) a transzformátor nem kapcsolható egyenáramú áramforráshoz: a primer tekercs ellenállása kicsi, ezért az áramerősség annyira megnövekedhet benne, hogy a transzformátor felforrósodik és üzemképtelenné válik.

Hogyan működik a transzformátor terhelés alatt?

Ha a transzformátor szekunder tekercsére fogyasztót kötünk, elektromos áram jön benne létre (21.3. ábra). Ennek az áramnak hatására a magban csökken a mágneses fluxus, amelynek eredményeként csökken az indukciós EME a primer tekercsen. Ennek következtében az áramerősség a primer tekercsen

növekszik és a mágneses fluxus eléri előző értékét. Minél nagyobb az áramerősség a szekunder tekercsen és a fogyasztóhoz eljuttatott teljesítmény, annál nagyobb a feszültség a primer tekercsen és az áramforrástól felvett teljesítmény.

Terhelés alatt a feszültség és áramerősség effektív értékeire nagyjából igaz a következő egyenlőség:

Ez azt jelenti, hogy a feszültségnövelő transzformátorokban az áramerősség a primer tekercsben nagyobb

míg a feszültségcsökkentő transzformátorokban a szekunder tekercsben nagyobb az áramerősség

Ha a transzformátor ideális (az energiaveszteség nulla), akkor ahányszor növeli a feszültséget, annyiszor csökkenti az áramerősséget, és fordítva.

Hogyan növelhető a transzformátor hatásfoka?

A különböző technikai berendezésekhez hasonlóan a transzformátorokban is megfigyelhető némi energiaveszteség.

A transzformátor által az elektromos energia fogyasztójának leadott P₂ teljesítmény és a transzformátor által az elektromos rendszerből felhasznált Pi teljesítmény hányadosát a transzformátor hatásfokának nevezzük:

A transzformátor főbb energiaveszteségei és kiküszöbölésük módja az alábbi táblázatban található.

A transzformátor energiavesztesége	A veszteség csökkentésének módja
Hőkiválás az áramnak a tekercsen való áthaladásakor.	A transzformátorok tekercseit jó minőségű és viszonylag nagy keresztmetszetű rézhuzalból készítik. Az áramerősség növekedésével növekszik a tekercsekben keletkezett hőmennyiség, ezért az alacsonyabb feszültségű tekercset vastagabb huzalból készítik.
Foucault-áramok létrejötte miatti hőkiválás a váltakozó mágneses térben lévő magban.	A magokat zártnak készítik és olyan formájúnak, hogy az csökkentse az elektromágneses hullámok sugárzását.
Energia kisugárzása elektromágneses hullámok formájában.	A magot egymástól szigetelt ferritlemezek-ből készítik, ezáltal növelve ellenállását és csökkentve a Foucault-áramok mértékét.
A mag felmágnesezésére fordított energiaveszteség.	A magot transzformátoracélból készítik, amely könnyen újramágneseződik.

Egyes transzformátorok hatásfoka szerkezetüknek köszönhetően 99%.

A transzformátorok felhasználása

A feszültségnövelő transzformátorokat az erőművek váltakozó áramú generátorainak közelébe telepítik. Ez lehetővé teszi az elektromos energia nagy távolságokra való szállítását magas feszültségeken (500 kV fölött), aminek köszönhetően az energiaveszteség a vezetékekben jelentősen csökken.

Az energia felhasználásának helyein feszültségcsökkentő állomásokat hoznak létre, ahol a magasáramú vezetékeken érkező magas feszültség viszonylag kis értékekre, a villamos energia fogyasztóinak működési szintjére csökken le (21.4. ábra). A villamos energia szállító- és elosztórendszerén kívül a transzformátorokat egyenirányítókban, laboratóriumokban, a rádiók tápellátásában, az elektromos mérőműszerek magasfeszültségű áramköréhez, hegesztésnél és sok egyéb helyen használják.

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. A transzformátor 1500 menetes primer tekercse egy 220 V feszültségű váltakozó áramú körhöz van kapcsolva. Határozzátok meg a szekunder tekercs menetszámát, ha annak egy 6,3 V feszültségű és 1,5 A áramerősségű áramkört kell táplálnia! A terhelés aktív, a szekunder tekercs ellenállása 0,20 Ω. A primer tekercs ellenállását hagyjátok figyelmen kívül!

Az eredmények elemzese. Mivel a transzformátor feszültsegcsökkento (U₁ > U₂), ezert a szekunder tekercs menetszáma kevesebb, mint a primer tekercsé. Tehát a kapott eredmény valós értéket takar.

Felelet: N₂ — 45.

Összegezés

A transzformátor olyan elektromágneses szerkezet, amely egyik feszültségű váltakozó áramot másik feszültségű váltakozó árammá alakítja át változatlan frekvencia mellett. A transzformátor zárt acélmagból és a rajta lévő két tekercsből áll.

A transzformátor bármilyen üzemmódja esetén a primer és szekunder tekercsein indukált EME effektív értékeinek aránya egyenlő a tekercsek menetszámainak arányával:

a transzformátort feszültségcsökkentőnek, ha k < 1, akkor feszültségnövelőnek nevezzük.

A transzformátor üresjárata esetén igaz a következő egyenlőség:

A transzformátor hatásfokát

képlet segítségével határoz

hatjuk meg. Ideális transzformátor esetén

vagyis amennyiszer növeli a feszültséget, annyiszor csökkenti az áramerősséget, és fordítva.

Ellenőrző kérdések

1. Mi az előnye az elektromos energiának a többi energiafajtával szemben? 2. Nevezzétek meg az energiaveszteség csökkentésének főbb módjait a villamos energia továbbítása közben! 3. Mi a transzformátor? Milyen a felépítése? Milyen jelenségen alapszik a működése? 4. Ismertessétek a transzformátor üresjárata közben végbemenő fizikai folyamatokat; a terhelés alatti folyamatokat! 5. Hogyan határozható meg a transzformátor menetszám-áttételének értéke? 6. Milyen transzformátort nevezünk feszültségcsökkentőnek? Feszültségnövelőnek? Hol használják azokat? 7. Miért nem kapcsolható a transzformátor egyenáramú áramforráshoz?

8. Milyen energiaveszteségekkel kell számolni a transzformátorokban? Hogyan lehet azokat csökkenteni? 9. Hogyan határozható meg a transzformátor hatásfoka?

21. gyakorlat

1. A 21,3. ábrán váltóáramú hálózathoz transzformátoron keresztül hozzákapcsolt izzó látható. Milyen az ott látható transzformátor — feszültségcsökkentő vagy feszültségnövelő? Miért készült a szekunder tekercs jóval vastagabb huzalból, mint a primer?

2. A transzformátor primer tekercse 1000, a szekunder pedig 3500 menetes. Üresjárat esetén a szekunder tekercsen a feszültség 105 V. Mekkora feszültséget kap a transzformátor? Mennyi a transzformátor menetszám-áttételének értéke?

A transzformátor által felhasznált teljesítmény 90 W, a szekunder tekercsen mérhető feszültség 12 V. Határozzátok meg az áramerősséget a szekunder tekercsen, ha a transzformátor hatásfoka 75%-os!

4. A k = 5 menetszám-áttételű transzformátort 220 V feszültségű váltóáramú hálózatba kapcsolták. Határozzátok meg a szekunder tekercs ellenállását, ha a rajta lévő feszültség 42 V, az áramerősség 4,0 A! A primer tekercs ellenállását hagyjátok figyelmen kívül!

5. Miért zúg a transzformátor? Mekkora a hanghullámok alapfrekvenciája, ha a transzformátort ipari hálózatra kapcsolják?

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev