Задание(теоретический исследование), страница 64, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Подготовьте доклад в виде реферата или презентации на одну из данных тем:

• Виды трансформаторов;

• Самый мощный в мире силовой трансформатор в настоящее время;

• Применение трансформаторов.

«Виды трансформаторов»

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Существует множество способов классификации трансформаторов.

1. По назначению:

• Силовые трансформаторы: наиболее распространенный вид, используемый в сетях передачи и распределения электроэнергии. Они преобразуют напряжение на электростанциях (повышающие) и подстанциях (понижающие) для минимизации потерь при транспортировке и для конечного потребления.

• Измерительные трансформаторы: служат для безопасного измерения высоких напряжений и больших токов в высоковольтных цепях. Они понижают напряжение (трансформаторы напряжения, ТН) или ток (трансформаторы тока, ТТ) до стандартных значений, безопасных для измерительных приборов и реле защиты.

• Автотрансформаторы: имеют одну обмотку с несколькими выводами. Часть обмотки является общей для первичной и вторичной цепи. Они компактнее и дешевле обычных трансформаторов при небольшом коэффициенте трансформации, но не обеспечивают гальванической развязки цепей.

• Сварочные трансформаторы: преобразуют сетевое напряжение в низкое напряжение (десятки вольт) при очень большом токе (сотни и тысячи ампер), необходимом для электродуговой сварки.

• Импульсные трансформаторы: предназначены для преобразования коротких видеоимпульсов, обычно с минимальным искажением их формы.

2. По числу фаз:

• Однофазные: используются в однофазных сетях, например, для питания бытовых приборов или в качестве составных элементов трехфазной группы.

• Трехфазные: наиболее распространены в промышленных и распределительных сетях, так как трехфазные системы являются стандартом в энергетике. Они конструктивно объединяют три однофазных трансформатора в одном корпусе.

3. По типу охлаждения:

• Сухие трансформаторы: охлаждение происходит за счет естественной или принудительной циркуляции воздуха. Они более пожаробезопасны и экологичны, поэтому часто устанавливаются внутри помещений.

• Масляные трансформаторы: активная часть (обмотки и магнитопровод) погружена в бак с трансформаторным маслом, которое служит одновременно для охлаждения и изоляции. Это наиболее распространенный тип для мощных силовых трансформаторов.

4. По коэффициенту трансформации ($K$):

• Понижающие: вторичное напряжение ($U_2$) ниже первичного ($U_1$). Число витков вторичной обмотки ($N_2$) меньше, чем первичной ($N_1$). $K < 1$.

• Повышающие: вторичное напряжение выше первичного. Число витков вторичной обмотки больше, чем первичной. $K > 1$. Коэффициент трансформации определяется соотношением: $K = \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{N_2}{N_1}$.

Ответ: Трансформаторы классифицируются по множеству признаков, включая назначение (силовые, измерительные), число фаз (однофазные, трехфазные), способ охлаждения (сухие, масляные) и коэффициент трансформации (повышающие, понижающие), что отражает их широкое применение в различных областях техники.

«Самый мощный в мире силовой трансформатор в настоящее время»

На сегодняшний день одни из самых мощных силовых трансформаторов в мире работают в составе сверхвысоковольтных линий электропередачи постоянного тока (UHVDC). Примером является уникальная ЛЭП «Чанцзи – Гуцюань» в Китае, работающая на рекордном напряжении ±1100 кВ.

Для этой линии электропередачи были разработаны и изготовлены преобразовательные трансформаторы, которые можно считать самыми мощными в мире. В проекте участвовали несколько ведущих мировых производителей, включая Siemens, ABB (ныне Hitachi Energy) и китайскую компанию TBEA.

Рассмотрим трансформатор, разработанный компанией Siemens для этой ЛЭП:

• Тип: Однофазный преобразовательный трансформатор.

• Напряжение: Трансформатор обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный ток с напряжением ±1100 кВ. Это самое высокое напряжение постоянного тока, используемое в коммерческой эксплуатации.

• Мощность: Номинальная мощность одного такого трансформаторного блока составляет около 587 МВА (мегавольт-ампер). Полная преобразовательная станция состоит из нескольких таких блоков, и ее суммарная мощность достигает 12 ГВт (гигаватт), что эквивалентно мощности 12 крупных атомных электростанций.

• Габариты и вес: Эти трансформаторы являются одними из крупнейших в мире. Вес одного трансформатора при транспортировке составляет около 500 тонн, а в полностью собранном и заправленном маслом состоянии — более 800 тонн. Его размеры в длину превышают 37 метров.

Создание таких устройств стало настоящим инженерным прорывом, так как потребовало решения сложнейших задач в области высоковольтной изоляции, охлаждения и механической прочности. Эти трансформаторы позволяют передавать огромное количество электроэнергии на расстояние более 3000 км с минимальными потерями, что играет ключевую роль в обеспечении энергией промышленных центров Китая из удаленных регионов, богатых возобновляемыми источниками энергии.

Ответ: Самые мощные в мире силовые трансформаторы — это преобразовательные трансформаторы для ЛЭП постоянного тока «Чанцзи – Гуцюань» (Китай) напряжением ±1100 кВ. Мощность одного такого блока достигает почти 600 МВА, а их создание является вершиной современных технологий в области электротехники.

«Применение трансформаторов»

Трансформаторы являются одним из фундаментальных элементов современной электротехники и энергетики. Их применение настолько широко, что без них невозможно представить функционирование практически ни одной электрической системы. Основные области применения трансформаторов включают:

1. Передача и распределение электроэнергии:

Это ключевая сфера применения силовых трансформаторов. На электростанциях мощные повышающие трансформаторы увеличивают напряжение, вырабатываемое генераторами (например, с 10-20 кВ до 220-1150 кВ). Это позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями мощности, так как потери пропорциональны квадрату тока ($P_{потерь} = I^2 \cdot R$), а при повышении напряжения ток снижается. На другом конце линии понижающие трансформаторы на подстанциях последовательно снижают напряжение до уровней, пригодных для промышленных предприятий (6-10 кВ) и бытовых потребителей (0,4 кВ, т.е. 380/220 В).

2. Промышленность:

• Электросварка: специальные сварочные трансформаторы создают высокий ток при низком напряжении для плавления металла.

• Электротермия: трансформаторы для дуговых и индукционных печей используются в металлургии для плавки металлов.

• Питание оборудования: множество промышленных установок требуют напряжений, отличных от стандартного сетевого, для чего применяются разделительные или согласующие трансформаторы.

3. Бытовая и офисная электроника:

Практически каждый электронный прибор, работающий от сети переменного тока (компьютер, телевизор, зарядное устройство для телефона), содержит небольшой трансформатор в блоке питания. Он понижает напряжение сети 220 В до безопасных низких значений (например, 5, 12, 19 В), необходимых для работы электронных схем.

4. Измерительная техника и системы защиты:

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) позволяют безопасно измерять параметры в высоковольтных сетях. Они изолируют измерительные приборы и реле от высокого напряжения, обеспечивая безопасность персонала и оборудования, а также высокую точность измерений для коммерческого учета и управления режимами сети.

5. Транспорт:

На электрифицированных железных дорогах трансформаторы, установленные на электровозах и электропоездах, понижают высокое напряжение контактной сети (например, 25 кВ) до уровня, необходимого для питания тяговых двигателей и вспомогательных систем.

6. Радиотехника и связь:

В радиотехнических устройствах трансформаторы используются для согласования сопротивлений (импедансов) различных каскадов усилителей, для гальванической развязки цепей и для симметрирования сигналов.

Ответ: Трансформаторы имеют повсеместное применение: от магистральных линий электропередачи, где они передают гигаватты мощности, до миниатюрных блоков питания в бытовой электронике, обеспечивая преобразование напряжений для эффективной, безопасной и надежной работы электрических систем.