Zariadenie a princíp činnosti transformátora

Na premenu elektrického napätia jednej veľkosti na elektrické napätie inej veľkosti, teda na premenu elektrickej energie, použite elektrické transformátory.

Transformátor môže konvertovať iba striedavý prúd na striedavý prúd, preto na získanie jednosmerného prúdu je striedavý prúd z transformátora v prípade potreby usmernený. Na tento účel slúžia usmerňovače.

Tak či onak, každý transformátor (či už napäťový, prúdový alebo pulzný) funguje vďaka fenoménu elektromagnetickej indukcie, ktorý sa v celej svojej kráse prejavuje práve pri striedavom alebo pulznom prúde.

Transformátorové zariadenie

Vo svojej najjednoduchšej forme sa jednofázový transformátor skladá iba z troch hlavných častí: feromagnetického jadra (magnetický obvod), ako aj primárne a sekundárne vinutia. V zásade môže mať transformátor viac ako dve vinutia, ale aspoň dve z nich. V niektorých prípadoch môže byť funkcia sekundárneho vinutia vykonávaná časťou závitov primárneho vinutia (pozri obr. typy transformátorov), ale takéto riešenia sú v porovnaní s bežnými dosť zriedkavé.

Hlavnou časťou transformátora je feromagnetické jadro. Keď je transformátor v prevádzke, meniace sa magnetické pole je vo feromagnetickom jadre. Zdrojom meniaceho sa magnetického poľa v transformátore je striedavý prúd primárneho vinutia.

Napätie sekundárneho vinutia transformátora

Je známe, že každý elektrický prúd je sprevádzaný magnetickým poľom; podľa toho je striedavý prúd sprevádzaný striedavým (meniacim sa veľkosťou a smerom) magnetickým poľom.

Privádzaním striedavého prúdu do primárneho vinutia transformátora teda získame meniace sa magnetické pole prúdu primárneho vinutia. A tak sa magnetické pole sústreďuje hlavne v jadre transformátora, toto jadro je vyrobené z materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou, tisíckrát väčšou ako má vzduch, takže hlavná časť magnetického toku primárneho vinutia bude uzavreté presne vo vnútri jadra, nie cez vzduch.

Striedavé magnetické pole primárneho vinutia sa teda sústreďuje v objeme jadra transformátora, ktoré je vyrobené z transformátorovej ocele, feritu alebo iného vhodného materiálu, v závislosti od pracovnej frekvencie a účelu konkrétneho transformátora.

Sekundárne vinutie transformátora je umiestnené na spoločnom jadre s jeho primárnym vinutím. Preto striedavé magnetické pole primárneho vinutia preniká aj do závitov sekundárneho vinutia.

A fenomén elektromagnetickej indukcie jednoducho spočíva v tom, že časovo premenné magnetické pole spôsobuje v priestore okolo neho meniace sa elektrické pole. A keďže sa v tomto priestore okolo meniaceho sa magnetického poľa nachádza druhý drôt cievky, indukované striedavé elektrické pole pôsobí na nosiče náboja vo vnútri tohto drôtu.

Toto pôsobenie elektrického poľa spôsobuje EMF pri každom otočení sekundárnej cievky. V dôsledku toho sa medzi svorkami sekundárneho vinutia objaví striedavé elektrické napätie. Keď sekundárne vinutie pripojeného transformátora nie je zaťažené, transformátor je prázdny.

Prevádzka transformátora pri zaťažení

Ak je na sekundárne vinutie pracovného transformátora pripojená určitá záťaž, cez záťaž v celom sekundárnom obvode transformátora vzniká prúd.

Tento prúd vytvára vlastné magnetické pole, ktoré má podľa Lenzovho zákona taký smer, že sa stavia proti „príčine, ktorá ho spôsobuje“. To znamená, že magnetické pole prúdu sekundárneho vinutia v ktoromkoľvek časovom okamihu má tendenciu znižovať rastúce magnetické pole primárneho vinutia alebo má tendenciu podporovať magnetické pole primárneho vinutia, keď sa zmenšuje, vždy ukazuje na magnetické pole. poľa primárnej cievky.

Keď je teda sekundárne vinutie transformátora zaťažené, v jeho primárnom vinutí dochádza k spätnému EMF, čo núti primárne vinutie transformátora odoberať viac prúdu z napájacej siete.

Transformačný faktor

Pomer závitov primárneho vinutia N1 a sekundárneho vinutia N2 transformátora určuje pomer medzi jeho vstupným napätím U1 a výstupným U2 a vstupnými prúdmi I1 a výstupnými I2, keď transformátor pracuje pod zaťažením. Tento pomer sa nazýva transformačný pomer transformátora:

Transformačný faktor je väčší ako jedna, ak je transformátor stupňovaný a menší ako jeden, ak je transformátor stupňovaný.

Napäťový transformátor

Napäťový transformátor je typ znižovacieho transformátora určený na galvanické oddelenie vysokonapäťových obvodov od nízkonapäťových obvodov.

Zvyčajne, pokiaľ ide o vysoké napätie, znamenajú 6 kilovoltov alebo viac (na primárnom vinutí napäťového transformátora) a nízke napätie znamená hodnoty rádovo 100 voltov (na sekundárnom vinutí).

Takýto transformátor sa spravidla používa na účely merania… Znižuje napríklad vysoké napätie elektrického vedenia na vhodné nízke napätie pre meranie, pričom dokáže galvanicky izolovať meracie, ochranné, riadiace obvody od vysokonapäťového obvodu. Tieto typy transformátorov zvyčajne pracujú v režime nečinnosti.

Napäťovým transformátorom možno nazvať v podstate čokoľvek výkonový transformátorslúži na premenu elektrickej energie.

Prúdový transformátor

V prúdovom transformátore je primárne vinutie, ktoré zvyčajne pozostáva iba z jedného závitu, zapojené do série s obvodom zdroja prúdu. Toto otočenie môže byť časťou vodiča obvodu, kde je potrebné merať prúd.

Drôt jednoducho prechádza cez okno jadra transformátora a stáva sa jedným otočením - otočením primárneho vinutia. Jeho sekundárne vinutie, ktoré má veľa závitov, je napojené na merací prístroj, ktorý má nízky vnútorný odpor.

Transformátory tohto typu sa používajú na meranie hodnôt striedavého prúdu v silových obvodoch. Tu sú prúd a napätie sekundárneho vinutia úmerné nameranému prúdu primárneho vinutia (prúdový obvod).

Prúdové transformátory sú široko používané v reléových ochranných zariadeniach pre energetické systémy, preto majú vysokú presnosť. Zabezpečujú meranie, pretože galvanicky spoľahlivo oddeľujú merací obvod od primárneho okruhu (zvyčajne vysokého napätia – desiatky a stovky kilovoltov).

Pulzný transformátor

Tento transformátor je určený na konverziu impulznej formy prúdu (napätia). Krátke impulzy, zvyčajne pravouhlé, aplikované na jeho primárne vinutie spôsobujú, že transformátor pracuje prakticky v prechodných podmienkach.

Takéto transformátory sa používajú v impulzných meničoch napätia a iných impulzných zariadeniach, ako aj v diferenciačných transformátoroch.

Použitie impulzných transformátorov umožňuje znížiť hmotnosť a náklady na zariadenia, v ktorých sa používajú, jednoducho kvôli zvýšenej frekvencii konverzie (desiatky a stovky kilohertzov) v porovnaní so sieťovými transformátormi pracujúcimi s frekvenciou 50-60 Hz. Obdĺžnikové impulzy, ktorých čas nábehu je oveľa kratší ako samotné trvanie impulzu, sa zvyčajne transformujú s nízkym skreslením.