Transformator to urządzenie elektromagnetyczne służące do przekształcania prądu przemiennego o jednym napięciu i częstotliwości na prąd przemienny o innym (lub równym) napięciu i tej samej częstotliwości.
Zawartość
Urządzenie i działanie transformatora
W najprostszym przypadku transformator zawiera jedno uzwojenie pierwotne o liczbie zwojów W1 i jedno wtórne z liczbą zwojów W2. Energia jest dostarczana do uzwojenia pierwotnego, obciążenie jest podłączone do wtórnego. Transfer energii odbywa się za pomocą indukcji elektromagnetycznej. Aby wzmocnić sprzężenie elektromagnetyczne, w większości przypadków uzwojenia są umieszczane na zamkniętym rdzeniu (obwód magnetyczny).
Jeżeli do uzwojenia pierwotnego zostanie przyłożone napięcie przemienne U1, to prąd przemienny I1, który wytwarza strumień magnetyczny Ф tej samej postaci w rdzeniu.Ten strumień magnetyczny indukuje EMF w uzwojeniu wtórnym. Jeżeli obciążenie jest podłączone do obwodu wtórnego, prąd wtórny I2.
Napięcie w uzwojeniu wtórnym jest określone przez stosunek zwojów W1 i W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, gdzie k jest współczynnik transformacji.
Jeśli k<1, to U2>U1, a taki transformator nazywa się step-up. Jeśli k>1, to U2<U1, taki transformator nazywa się step down. Ponieważ moc wyjściowa transformatora jest równa mocy wejściowej (minus straty w samym transformatorze), możemy powiedzieć, że Pout \u003d Pin, U1*I1=U2*I2 i ja2=I1*k=I1*(W1/W2). Zatem w bezstratnym transformatorze napięcia wejściowe i wyjściowe są wprost proporcjonalne do stosunku zwojów uzwojenia. A prądy są odwrotnie proporcjonalne do tego stosunku.
Transformator może mieć więcej niż jedno uzwojenie wtórne o różnych przełożeniach. Tak więc transformator do zasilania sprzętu lamp domowych z sieci 220 woltów może mieć jedno uzwojenie wtórne, na przykład 500 woltów do zasilania obwodów anodowych i 6 woltów do zasilania obwodów żarowych. W pierwszym przypadku k<1, w drugim k>1.
Transformator pracuje tylko z napięciem przemiennym - aby wystąpiła siła elektromotoryczna w uzwojeniu wtórnym, strumień magnetyczny musi się zmienić.
Rodzaje rdzeni do transformatorów
W praktyce stosuje się rdzenie nie tylko o wskazanym kształcie. W zależności od przeznaczenia urządzenia obwody magnetyczne można wykonać na różne sposoby.
Rdzenie prętów
Obwody magnetyczne transformatorów niskiej częstotliwości są wykonane ze stali o wyraźnych właściwościach magnetycznych.Aby zredukować prądy wirowe, macierz rdzenia składa się z oddzielnych płyt, elektrycznie odizolowanych od siebie. Do pracy przy wysokich częstotliwościach wykorzystywane są inne materiały, na przykład ferryty.
Rozważany powyżej rdzeń nazywa się rdzeniem i składa się z dwóch prętów. W przypadku transformatorów jednofazowych stosuje się również trójprętowe obwody magnetyczne. Mają mniejszy strumień magnetyczny i wyższą wydajność. W tym przypadku zarówno uzwojenie pierwotne, jak i wtórne znajdują się na środkowym pręcie rdzenia.
Transformatory trójfazowe są również wykonane na rdzeniach trójprętowych. Mają uzwojenia pierwotne i wtórne każdej fazy, z których każde znajduje się na własnym rdzeniu. W niektórych przypadkach stosuje się pięcioprętowe obwody magnetyczne. Ich uzwojenia są umieszczone dokładnie w ten sam sposób - każdy pierwotny i wtórny na własnym pręcie, a dwa skrajne pręciki z każdej strony są przeznaczone tylko do zamykania strumieni magnetycznych w określonych trybach.
opancerzony
W rdzeniu zbrojonym wykonane są transformatory jednofazowe – obie cewki umieszczone są na rdzeniu środkowym obwodu magnetycznego. Strumień magnetyczny w takim rdzeniu zamyka się podobnie jak w konstrukcji trójprętowej - przez ścianki boczne. W tym przypadku strumień wycieku jest bardzo mały.
Zaletami tej konstrukcji są pewne przyrosty wymiarów i masy ze względu na możliwość gęstszego wypełnienia okna rdzenia uzwojeniem, dlatego do produkcji transformatorów małej mocy korzystne jest stosowanie rdzeni zbrojonych. Skutkuje to również krótszym obwodem magnetycznym, co prowadzi do zmniejszenia strat bez obciążenia.
Wadą jest trudniejszy dostęp do uzwojeń w celu rewizji i naprawy, a także zwiększona złożoność wytwarzania izolacji dla wysokich napięć.
Toroidalny
W rdzeniach toroidalnych strumień magnetyczny jest całkowicie zamknięty wewnątrz rdzenia i praktycznie nie ma wycieku strumienia magnetycznego. Ale takie transformatory są trudne do uzwojenia, dlatego są używane dość rzadko, na przykład w regulowanych autotransformatorach małej mocy lub w urządzeniach o wysokiej częstotliwości, w których ważna jest odporność na zakłócenia.
Autotransformator
W niektórych przypadkach wskazane jest stosowanie takich transformatorów, które mają nie tylko połączenie magnetyczne między uzwojeniami, ale także elektryczne. Oznacza to, że w urządzeniach podwyższających uzwojenie pierwotne jest częścią wtórnej, a w urządzeniach obniżających część wtórną uzwojenia pierwotnego. Takie urządzenie nazywa się autotransformatorem (AT).
Autotransformator obniżający napięcie nie jest prostym dzielnikiem napięcia - sprzężenie magnetyczne bierze również udział w przekazywaniu energii do obwodu wtórnego.
Zaletami autotransformatorów są:
- mniejsze straty;
- możliwość płynnej regulacji napięcia;
- mniejsze wskaźniki wagi i wielkości (autotransformator jest tańszy, łatwiej go transportować);
- niższy koszt ze względu na mniejszą wymaganą ilość materiału.
Do wad należy zaliczyć konieczność zastosowania izolacji obu uzwojeń, przeznaczonej na wyższe napięcie, a także brak izolacji galwanicznej między wejściem a wyjściem, która może przenosić skutki zjawisk atmosferycznych z obwodu pierwotnego na wtórny. W takim przypadku elementy obwodu wtórnego nie mogą być uziemione.Za wadę AT uważa się również zwiększone prądy zwarciowe. W przypadku autotransformatorów trójfazowych uzwojenia są zwykle połączone w gwiazdę z uziemionym punktem zerowym, możliwe są inne schematy połączeń, ale zbyt skomplikowane i kłopotliwe. Jest to również wada, która zawęża zakres autotransformatorów.
Zastosowanie transformatorów
Właściwość transformatorów do zwiększania lub zmniejszania napięcia jest szeroko stosowana w przemyśle i życiu codziennym.
Transformacja napięcia
Różne wymagania są nakładane na poziom napięcia przemysłowego na różnych etapach. Przy wytwarzaniu energii elektrycznej z różnych powodów nieopłacalne jest stosowanie generatorów wysokiego napięcia. Dlatego na przykład w elektrowniach wodnych stosuje się generatory o napięciu 6 ... 35 kV. Natomiast do transportu energii elektrycznej potrzebne jest podwyższone napięcie - od 110 kV do 1150 kV, w zależności od odległości. Ponadto napięcie to jest ponownie obniżane do poziomu 6 ... 10 kV, dystrybuowane do lokalnych podstacji, skąd jest zmniejszane do 380 (220) woltów i dociera do konsumenta końcowego. W urządzeniach domowych i przemysłowych należy go również obniżyć, zwykle do 3 ... 36 woltów.
Wszystkie te operacje są wykonywane z za pomocą transformatorów mocy. Mogą być suche lub na bazie oleju. W drugim przypadku rdzeń wraz z uzwojeniami umieszczany jest w zbiorniku z olejem, który jest czynnikiem izolującym i chłodzącym.
Izolacja galwaniczna
Izolacja galwaniczna zwiększa bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych. Jeśli urządzenie jest zasilane nie bezpośrednio z sieci 220 V, w której jeden z przewodów jest podłączony do ziemi, ale przez transformator 220/220 V, napięcie zasilania pozostanie takie samo.Ale przy jednoczesnym dotknięciu uziemienia i części obwodu przewodzących prąd wtórny w celu przepływu prądu, nie będzie przepływu prądu, a niebezpieczeństwo porażenia prądem będzie znacznie mniejsze.
Pomiar napięcia
We wszystkich instalacjach elektrycznych konieczna jest kontrola poziomu napięcia. Jeśli stosowana jest klasa napięcia do 1000 woltów, woltomierze są podłączone bezpośrednio do części pod napięciem. W instalacjach elektrycznych powyżej 1000 woltów to nie zadziała - urządzenia, które wytrzymają takie napięcie, okazują się zbyt nieporęczne i niebezpieczne w przypadku awarii izolacji. Dlatego w takich systemach woltomierze są połączone z przewodami wysokiego napięcia przez transformatory o dogodnym współczynniku transformacji. Na przykład w przypadku sieci 10 kV stosuje się przekładniki 1:100, wyjście jest standardowym napięciem 100 woltów. Jeśli napięcie na uzwojeniu pierwotnym zmienia amplitudę, zmienia się jednocześnie na wtórnym. Skala woltomierza jest zwykle wyskalowana w zakresie napięcia pierwotnego.
Transformator jest dość złożonym i kosztownym elementem do produkcji i konserwacji. Jednak w wielu dziedzinach urządzenia te są niezbędne i nie ma dla nich alternatywy.
Podobne artykuły:
