Zařízení a princip činnosti transformátoru

K přeměně elektrického napětí jedné velikosti na elektrické napětí jiné velikosti, tedy k přeměně elektrické energie, použijte elektrické transformátory.

Transformátor může převádět pouze střídavý proud na střídavý proud, proto pro získání stejnosměrného proudu je střídavý proud z transformátoru v případě potřeby usměrněn. K tomuto účelu slouží usměrňovače.

Tak či onak každý transformátor (ať už je to napěťový, proudový nebo pulzní transformátor) funguje díky fenoménu elektromagnetické indukce, který se v celé své kráse projevuje právě střídavým nebo pulzním proudem.

Transformátorové zařízení

Ve své nejjednodušší podobě se jednofázový transformátor skládá pouze ze tří hlavních částí: feromagnetického jádra (magnetický obvod), stejně jako primární a sekundární vinutí. Transformátor může mít v zásadě více než dvě vinutí, ale minimálně dvě z nich. V některých případech může funkci sekundárního vinutí plnit část závitů primárního vinutí (viz obr. typy transformátorů), ale taková řešení jsou ve srovnání s běžnými poměrně vzácná.

Hlavní částí transformátoru je feromagnetické jádro. Když je transformátor v provozu, měnící se magnetické pole je uvnitř feromagnetického jádra. Zdrojem měnícího se magnetického pole v transformátoru je střídavý proud primárního vinutí.

Napětí sekundárního vinutí transformátoru

Je známo, že každý elektrický proud je doprovázen magnetickým polem; podle toho je střídavý proud doprovázen střídavým (měnící se velikost a směr) magnetickým polem.

Přivedením střídavého proudu do primárního vinutí transformátoru tedy získáme měnící se magnetické pole proudu primárního vinutí. A tak se magnetické pole soustředí hlavně v jádru transformátoru, toto jádro je vyrobeno z materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou, tisíckrát větší než má vzduch, takže hlavní část magnetického toku primárního vinutí bude uzavřeno přesně uvnitř jádra, ne vzduchem.

Střídavé magnetické pole primárního vinutí se tedy koncentruje v objemu jádra transformátoru, které je vyrobeno z transformátorové oceli, feritu nebo jiného vhodného materiálu, v závislosti na pracovní frekvenci a účelu konkrétního transformátoru.

Sekundární vinutí transformátoru je umístěno na společném jádru s primárním vinutím. Proto také střídavé magnetické pole primárního vinutí proniká do závitů sekundárního vinutí.

A jev elektromagnetické indukce spočívá jednoduše v tom, že časově proměnlivé magnetické pole způsobuje měnící se elektrické pole v prostoru kolem něj. A protože je v tomto prostoru kolem měnícího se magnetického pole druhý drát cívky, působí indukované střídavé elektrické pole na nosiče náboje uvnitř tohoto drátu.

Toto působení elektrického pole způsobuje EMF při každém otočení sekundární cívky. V důsledku toho se mezi svorkami sekundárního vinutí objeví střídavé elektrické napětí. Pokud sekundární vinutí připojeného transformátoru není zatíženo, je transformátor prázdný.

Provoz transformátoru pod zátěží

Je-li na sekundární vinutí provozního transformátoru připojena určitá zátěž, vzniká proud zátěží v celém sekundárním obvodu transformátoru.

Tento proud vytváří vlastní magnetické pole, které má podle Lenzova zákona takový směr, že se staví proti „příčině, která jej způsobuje“. To znamená, že magnetické pole proudu sekundárního vinutí má v každém okamžiku tendenci snižovat rostoucí magnetické pole primárního vinutí nebo má tendenci podporovat magnetické pole primárního vinutí, když se zmenšuje, vždy ukazuje na magnetické pole. pole primární cívky.

Při zatížení sekundárního vinutí transformátoru se tedy v jeho primárním vinutí objeví zpětné EMF, které nutí primární vinutí transformátoru odebírat více proudu z napájecí sítě.

Transformační faktor

Poměr závitů primárního vinutí N1 a sekundárního vinutí N2 transformátoru určuje poměr mezi jeho vstupním napětím U1 a výstupním U2 a vstupními proudy I1 a výstupními I2, když transformátor pracuje pod zatížením. Tento poměr se nazývá transformační poměr transformátoru:

Transformační faktor je větší než jedna, pokud je transformátor snížen, a menší než jedna, pokud je transformátor zvýšen.

Napěťový transformátor

Napěťový transformátor je typ snižovacího transformátoru určený ke galvanickému oddělení vysokonapěťových obvodů od nízkonapěťových obvodů.

Obvykle, pokud jde o vysoké napětí, znamenají 6 kilovoltů nebo více (na primárním vinutí napěťového transformátoru) a nízké napětí znamenají hodnoty v řádu 100 voltů (na sekundárním vinutí).

Takový transformátor se zpravidla používá pro účely měření… Snižuje například vysoké napětí elektrického vedení na vhodné nízké napětí pro měření, přičemž je také schopen galvanicky izolovat obvody měření, ochrany a řízení od obvodu vysokého napětí. Tyto typy transformátorů obvykle pracují v klidovém režimu.

Transformátorem napětí lze nazvat v podstatě cokoliv silový transformátorslouží k přeměně elektrické energie.

Transformátor napětí

U proudového transformátoru je primární vinutí, které se obvykle skládá pouze z jednoho závitu, zapojeno do série s obvodem zdroje proudu. Tento závit může být úsekem vodiče obvodu, kde je třeba měřit proud.

Drát jednoduše prochází okénkem jádra transformátoru a stává se tímto jediným závitem – závitem primárního vinutí. Jeho sekundární vinutí, které má mnoho závitů, je připojeno k měřicímu zařízení, které má nízký vnitřní odpor.

Transformátory tohoto typu se používají k měření hodnot střídavého proudu v silových obvodech. Zde jsou proud a napětí sekundárního vinutí úměrné měřenému proudu primárního vinutí (proudového obvodu).

Proudové transformátory jsou široce používány v reléových ochranných zařízeních pro energetické systémy, proto mají vysokou přesnost. Zabezpečují měření, protože galvanicky spolehlivě oddělují měřicí obvod od primárního obvodu (obvykle vysoké napětí – desítky a stovky kilovoltů).

Pulzní transformátor

Tento transformátor je určen k převodu pulzní formy proudu (napětí). Krátké pulsy, obvykle obdélníkové, aplikované na jeho primární vinutí způsobují, že transformátor pracuje prakticky v přechodových podmínkách.

Takové transformátory se používají v pulsních měničích napětí a jiných pulsních zařízeních, stejně jako v rozlišovacích transformátorech.

Použití pulsních transformátorů umožňuje snížit hmotnost a náklady na zařízení, ve kterých jsou použity, jednoduše kvůli zvýšené konverzní frekvenci (desítky a stovky kilohertzů) ve srovnání se síťovými transformátory pracujícími na frekvenci 50-60 Hz. Obdélníkové pulsy, jejichž doba náběhu je mnohem kratší než samotná doba trvání pulsu, jsou obvykle transformovány s nízkým zkreslením.