Typy transformátorov

Transformátor je statické elektromagnetické zariadenie obsahujúce dve až niekoľko cievok umiestnených na spoločnom magnetickom obvode a teda navzájom indukčne spojených. Slúži ako transformátor na premenu elektrickej energie zo striedavého prúdu pomocou elektromagnetickej indukcie bez zmeny frekvencie prúdu. Transformátory sa používajú na konverziu striedavého napätia a galvanická izolácia v rôznych oblastiach elektrotechniky a elektroniky.

Pre spravodlivosť treba poznamenať, že v niektorých prípadoch môže transformátor obsahovať iba jedno vinutie (autotransformátor) a jadro môže úplne chýbať (HF - transformátor), ale väčšina transformátorov má jadro (magnetický obvod) vyrobené z mäkký magnetický feromagnetický materiála dve alebo viac izolovaných páskových alebo drôtených cievok pokrytých spoločným magnetickým tokom, ale v prvom rade. Pozrime sa, aké typy transformátorov sú, ako sú usporiadané a na čo sa používajú.

Výkonový transformátor

Tento typ nízkofrekvenčných (50-60 Hz) transformátorov sa používa v elektrických sieťach, ako aj v inštaláciách na príjem a premenu elektrickej energie. Prečo sa tomu hovorí moc? Pretože práve tento typ transformátora sa používa na napájanie a príjem elektriny z a z elektrických vedení, kde napätie môže dosiahnuť 1150 kV.

V mestských elektrických sieťach dosahuje napätie 10 kV. Presne cez výkonné nízkofrekvenčné transformátory napätie tiež klesne na 0,4 kV, 380/220 voltov požadovaných spotrebiteľmi.

Štrukturálne môže typický výkonový transformátor obsahovať dve, tri alebo viac vinutí usporiadaných na pancierovanom elektrooceľovom jadre, pričom niektoré nízkonapäťové vinutia sú napájané paralelne (transformátor s deleným vinutím).

To je užitočné na zvýšenie napätia prijatého z viacerých generátorov súčasne. Výkonový transformátor je spravidla umiestnený v nádrži s transformátorovým olejom a v prípade obzvlášť výkonných exemplárov je doplnený aktívnym chladiacim systémom.

V rozvodniach a elektrárňach sú inštalované trojfázové výkonové transformátory s výkonom do 4000 kVA. Trojfázové sú bežnejšie, pretože straty sa dosahujú až o 15 % menšie ako pri troch jednofázových.

Sieťový transformátor

V 80-tych a 90-tych rokoch minulého storočia bolo možné sieťové transformátory nájsť takmer v každom elektrickom spotrebiči. Pomocou sieťového transformátora (zvyčajne jednofázového) sa napätie 220 voltovej domácej siete s frekvenciou 50 Hz zníži na úroveň, ktorú vyžaduje elektrický spotrebič, napríklad 5, 12, 24 alebo 48 voltov.

Linkové transformátory sa často vyrábajú s viacerými sekundárnymi vinutiami, takže na napájanie rôznych častí obvodu možno použiť viacero zdrojov napätia. Najmä transformátory TN (incandescent transformer) by sa vždy (a stále môžu) nachádzať v obvodoch, kde sú prítomné rádiové elektrónky.

Moderné linkové transformátory sú konštruované na jadrách tvaru W, tyčových alebo toroidných jadier sady elektrooceľových dosiek, na ktorých sú navinuté cievky. Toroidný tvar magnetického obvodu umožňuje získať kompaktnejší transformátor.

Ak porovnáme transformátory s rovnakým celkovým výkonom toroidných jadier a jadier v tvare W, toroidné jadro zaberie menej miesta, navyše povrch toroidného magnetického obvodu je úplne pokrytý vinutiami, nie je tam žiadne prázdne strmene, ako napr. puzdro s pancierovými jadrami v tvare W alebo tyčiniek. Súčasťou elektrickej siete sú najmä zváracie transformátory s výkonom do 6 kW. Sieťové transformátory sú samozrejme klasifikované ako nízkofrekvenčné transformátory.

Autotransformátor

Jedným typom nízkofrekvenčného transformátora je autotransformátor, v ktorom je sekundárne vinutie súčasťou primárneho vinutia alebo primárne vinutie je súčasťou sekundárneho. To znamená, že v autotransformátore sú vinutia spojené nielen magneticky, ale aj elektricky. Z jednej cievky je vyrobených niekoľko vodičov a umožňujú vám získať rôzne napätia z jednej cievky.

Hlavnou výhodou autotransformátora je jeho nižšia cena, pretože sa používa menej drôtu na vinutie, menej ocele na jadro a v dôsledku toho je hmotnosť nižšia ako hmotnosť bežného transformátora.Nevýhodou je chýbajúce galvanické oddelenie cievok.

Autotransformátory sa používajú v automatických riadiacich zariadeniach a sú tiež široko používané vo vysokonapäťových elektrických sieťach. Trojfázové autotransformátory s zapojením do trojuholníka alebo hviezdy v elektrických sieťach sú dnes veľmi žiadané.

Výkonové autotransformátory sú dostupné v kapacitách až stoviek megawattov. Autotransformátory sa používajú aj na spúšťanie výkonných striedavých motorov. Autotransformátory sú obzvlášť užitočné pre nízke transformačné pomery.

Laboratórny autotransformátor

Špeciálnym prípadom autotransformátora je laboratórny autotransformátor (LATR). Umožňuje vám plynulo nastaviť napätie dodávané používateľovi. Dizajn LATR je toroidný transformátor s jediným vinutím, ktoré má od zákruty k zákrute neizolovanú "stopu", to znamená, že je možné pripojiť ku každému zo závitov vinutia. Kontakt s dráhou je zabezpečený posuvnou uhlíkovou kefou, ktorá sa ovláda otočným gombíkom.

Takže môžete získať efektívne napätie s rôznymi veľkosťami na záťaži. Typické jednofázové pohony vám umožňujú akceptovať napätie od 0 do 250 voltov a trojfázové - od 0 do 450 voltov. LATR s výkonom od 0,5 do 10 kW sú veľmi obľúbené v laboratóriách na účely ladenia elektrických zariadení.

Prúdový transformátor

Prúdový transformátor sa nazýva transformátor, ktorého primárne vinutie je pripojené k zdroju prúdu a sekundárne vinutie k ochranným alebo meracím zariadeniam, ktoré majú nízky vnútorný odpor. Najbežnejším typom prúdového transformátora je prístrojový prúdový transformátor.

Primárne vinutie prúdového transformátora (zvyčajne len jeden závit, jeden vodič) je zapojené do série v obvode, v ktorom chcete merať striedavý prúd. Ukazuje sa, že prúd sekundárneho vinutia je úmerný prúdu primárneho, zatiaľ čo sekundárne vinutie musí byť nevyhnutne zaťažené, pretože inak môže byť napätie sekundárneho vinutia dostatočne vysoké na prerušenie izolácie. Tiež, ak sa otvorí sekundárne vinutie CT, magnetický obvod jednoducho vyhorí z indukovaných nekompenzovaných prúdov.

Konštrukcia prúdového transformátora je jadro z laminovanej kremíkovej elektroocele valcovanej za studena, na ktorej je navinuté jedno alebo viac izolovaných sekundárnych vinutí. Primárne vinutie je často jednoducho prípojnica alebo vodič s meraným prúdom prechádzajúcim cez okno magnetického obvodu (mimochodom, tento princíp používajú kliešťový meter).Hlavnou charakteristikou prúdového transformátora je transformačný pomer, napríklad 100/5 A.

Prúdové transformátory sa široko používajú na meranie prúdu a v obvodoch ochrany relé. Sú bezpečné, pretože meraný a sekundárny okruh sú od seba galvanicky oddelené. Priemyselné transformátory prúdu sa zvyčajne vyrábajú s dvoma alebo viacerými skupinami sekundárnych vinutí, z ktorých jedna je spojená s ochrannými zariadeniami a druhá s meracím zariadením, ako sú merače.

Pulzný transformátor

Takmer vo všetkých moderných sieťových zdrojoch, v rôznych invertoroch, vo zváracích strojoch a v iných výkonových a nízkoenergetických elektrických meničoch sa používajú impulzné transformátory.Impulzné obvody dnes takmer úplne nahradili ťažké nízkofrekvenčné transformátory s laminovanými oceľovými jadrami.

Typický pulzný transformátor je transformátor s feritovým jadrom. Tvar jadra (magnetický obvod) môže byť úplne odlišný: krúžok, tyč, pohár, v tvare W, v tvare U. Výhoda feritov oproti transformátorovej oceli je zrejmá – feritové transformátory môžu pracovať pri frekvenciách až 500 kHz alebo viac.

Pretože impulzný transformátor je vysokofrekvenčný transformátor, jeho rozmery sa pri zvyšovaní frekvencie výrazne zmenšujú. Pre vinutia je potrebných menej drôtu a prúd poľa je dostatočný na získanie vysokofrekvenčného prúdu v primárnej slučke, IGBT alebo bipolárny tranzistor, niekedy niekoľko, v závislosti od topológie impulzného napájacieho obvodu (vpred — 1, push-pull — 2, polovičný mostík — 2, mostík — 4).

Aby sme boli spravodliví, poznamenávame, že ak sa použije reverzný napájací obvod, potom je transformátor v podstate dvojitou tlmivkou, pretože procesy akumulácie a uvoľňovania elektriny v sekundárnom okruhu sú časovo oddelené, to znamená, že neprebiehajú súčasne je teda s riadiacim obvodom flyback stále tlmivka, ale nie transformátor.

Impulzné obvody s transformátormi a feritovými tlmivkami dnes nájdeme všade, od predradníkov energeticky úsporných lámp a nabíjačiek rôznych zariadení až po zváracie stroje a výkonné meniče.

Impulzný prúdový transformátor

Na meranie veľkosti a (alebo) smeru prúdu v impulzných obvodoch sa často používajú impulzné transformátory prúdu, ktoré sú feritovým jadrom, často prstencového (toroidného) s jedným vinutím.Cez prstenec jadra prechádza drôt, prúd, v ktorom sa má skúmať, a samotná cievka je zaťažená odporom.

Napríklad krúžok obsahuje 1000 závitov drôtu, potom pomer prúdov primárneho (závitového drôtu) a sekundárneho vinutia bude 1000 ku 1. Ak je vinutie krúžku zaťažené rezistorom známej hodnoty, potom bude vinutie krúžku zaťažené odporom. potom napätie namerané na ňom bude úmerné prúdu cievky, čo znamená, že nameraný prúd je 1000-násobok prúdu cez tento odpor.

Priemysel vyrába impulzné transformátory prúdu s rôznymi transformačnými pomermi. Konštruktérovi stačí k takémuto transformátoru pripojiť odpor a merací obvod. Ak chcete poznať smer prúdu, nie jeho veľkosť, potom je vinutie prúdového transformátora jednoducho nabité dvoma protiľahlými zenerovými diódami.

Komunikácia medzi elektrickými strojmi a transformátormi

Elektrické transformátory sú vždy zahrnuté v kurzoch elektrických strojov študovaných vo všetkých elektrotechnických odboroch vzdelávacích inštitúcií. Elektrický transformátor v podstate nie je elektrický stroj, ale elektrický prístroj, keďže sa v ňom nenachádzajú žiadne pohyblivé časti, ktorých prítomnosť je charakteristickým znakom každého stroja ako typu mechanizmu.Z tohto dôvodu sa spomínané kurzy v r. aby sa predišlo nedorozumeniam, mali by sa nazývať „kurzy elektrických strojov a elektrických transformátorov“.

Zahrnutie transformátorov do všetkých kurzov elektrických strojov je z dvoch dôvodov.Jeden je historického pôvodu: tie isté továrne, ktoré vyrábali elektrické stroje na striedavý prúd, vyrábali aj transformátory, pretože samotná prítomnosť transformátorov dávala strojom na striedavý prúd výhodu oproti strojom na jednosmerný prúd, čo v konečnom dôsledku viedlo k ich prevahe v tomto odvetví. A teraz je nemožné si predstaviť veľkú AC inštaláciu bez transformátorov.

S rozvojom výroby strojov a transformátorov na striedavý prúd však vznikla potreba sústrediť výrobu transformátorov do špeciálnych transformátorární. Faktom je, že vzhľadom na možnosť prenosu striedavého prúdu pomocou transformátorov na veľké vzdialenosti bol nárast vyššieho napätia transformátorov oveľa rýchlejší ako nárast napätia elektrických strojov na striedavý prúd.

V súčasnom štádiu vývoja elektrických strojov na striedavý prúd je pre ne najvyššie racionálne napätie 36 kV. Zároveň najvyššie napätie v skutočne realizovaných elektrických transformátoroch dosiahlo 1150 kV. Takéto vysoké napätia transformátorov a ich prevádzka na nadzemných elektrických vedeniach vystavených bleskom viedli k veľmi špecifickým problémom s transformátormi, ktoré sú pre elektrické stroje cudzie.

To viedlo k produkcii technologických problémov natoľko odlišných od technologických problémov elektrotechniky, že oddelenie transformátorov do samostatnej výroby sa stalo nevyhnutným. Prvý dôvod – priemyselné spojenie, ktoré priviedlo transformátory do blízkosti elektrických strojov – teda zmizol.

Druhý dôvod je zásadný a spočíva v tom, že v praxi používané elektrické transformátory, ako aj elektrické stroje, sú založené na princíp elektromagnetickej indukcie (Faradayov zákon), — zostáva medzi nimi neotrasiteľné puto. Na pochopenie mnohých javov v strojoch na striedavý prúd je zároveň absolútne nevyhnutná znalosť fyzikálnych procesov vyskytujúcich sa v transformátoroch a navyše teória veľkej triedy strojov na striedavý prúd môže byť zredukovaná na teóriu transformátory, čím sa uľahčí ich teoretické uvažovanie.

Preto v teórii strojov na striedavý prúd zaujíma silné miesto teória transformátorov, z čoho však nevyplýva, že transformátory možno nazvať elektrickými strojmi. Okrem toho je potrebné mať na pamäti, že transformátory majú iné nastavenie cieľov a proces premeny energie ako elektrické stroje.

Účelom elektrického stroja je premieňať mechanickú energiu na elektrickú energiu (generátor) alebo naopak elektrickú energiu na mechanickú energiu (motor), pričom v transformátore ide o premenu druhu striedavej elektrickej energie na striedavú. súčasná elektrická energia. prúd iného druhu.