Typy transformátorů

Transformátor je statické elektromagnetické zařízení obsahující dvě až několik cívek umístěných na společném magnetickém obvodu a tedy vzájemně indukčně spojených. Slouží jako transformátor k přeměně elektrické energie ze střídavého proudu pomocí elektromagnetické indukce beze změny frekvence proudu. Transformátory se používají jak pro konverzi střídavého napětí, tak pro galvanická izolace v různých oblastech elektrotechniky a elektroniky.

Abychom byli spravedliví, poznamenáváme, že v některých případech může transformátor obsahovat pouze jedno vinutí (autotransformátor) a jádro může zcela chybět (HF — transformátor), ale většina transformátorů má jádro (magnetický obvod) vyrobené z měkký magnetický feromagnetický materiála dvě nebo více izolovaných páskových nebo drátěných cívek pokrytých společným magnetickým tokem, ale na prvním místě. Podívejme se, jaké typy transformátorů to jsou, jak jsou uspořádány a k čemu slouží.

Výkonový transformátor

Tento typ nízkofrekvenčních (50-60 Hz) transformátorů se používá v elektrických sítích a také v instalacích pro příjem a přeměnu elektrické energie. Proč se tomu říká moc? Protože právě tento typ transformátoru se používá k napájení a příjmu elektřiny z a z elektrického vedení, kde napětí může dosáhnout 1150 kV.

V městských elektrických sítích dosahuje napětí 10 kV. Přesně skrz výkonné nízkofrekvenční transformátory napětí také klesne na 0,4 kV, 380/220 voltů požadovaných spotřebiteli.

Strukturálně může typický výkonový transformátor obsahovat dvě, tři nebo více vinutí uspořádaných na pancéřovaném elektroocelovém jádru, přičemž některá nízkonapěťová vinutí jsou napájena paralelně (transformátor s děleným vinutím).

To je užitečné pro zvýšení napětí přijímaného z více generátorů současně. Výkonový transformátor je zpravidla umístěn v nádrži s transformátorovým olejem a u zvláště výkonných exemplářů je doplněn aktivním chlazením.

V rozvodnách a elektrárnách jsou instalovány třífázové výkonové transformátory s výkonem až 4000 kVA. Třífázové jsou běžnější, protože ztráty jsou až o 15 % menší než u tří jednofázových.

Síťový transformátor

V 80. a 90. letech 20. století bylo možné nalézt síťové transformátory téměř v každém elektrickém spotřebiči. Pomocí síťového transformátoru (většinou jednofázového) se napětí domácí sítě 220 voltů o frekvenci 50 Hz sníží na úroveň, kterou vyžaduje elektrický spotřebič, například 5, 12, 24 nebo 48 voltů.

Linkové transformátory se často vyrábějí s více sekundárními vinutími, takže pro napájení různých částí obvodu lze použít více zdrojů napětí. Zejména transformátory TN (žhavící transformátor) lze vždy (a stále lze) nalézt v obvodech, kde jsou přítomny rádiové trubice.

Moderní linkové transformátory jsou konstruovány na jádrech ve tvaru W, tyče nebo toroidu ze sady elektroocelových plechů, na kterých jsou navinuty cívky. Toroidní tvar magnetického obvodu umožňuje získat kompaktnější transformátor.

Pokud porovnáme transformátory se stejným celkovým výkonem toroidních jader a jader ve tvaru W, toroidní zabere méně místa, navíc povrch toroidního magnetického obvodu je zcela pokryt vinutími, není zde žádné prázdné jho, jako je pouzdro s pancéřovanými jádry ve tvaru W nebo tyče. Součástí elektrické sítě jsou zejména svařovací transformátory s výkonem do 6 kW. Síťové transformátory se samozřejmě řadí mezi nízkofrekvenční transformátory.

Autotransformátor

Jedním typem nízkofrekvenčního transformátoru je autotransformátor, ve kterém je sekundární vinutí součástí primárního nebo primární je součástí sekundáru. To znamená, že v autotransformátoru jsou vinutí spojena nejen magneticky, ale také elektricky. Několik vodičů je vyrobeno z jedné cívky a umožňuje vám získat různá napětí pouze z jedné cívky.

Hlavní výhodou autotransformátoru je jeho nižší cena, protože se používá méně drátu na vinutí, méně oceli na jádro a v důsledku toho je hmotnost nižší než u konvenčního transformátoru.Nevýhodou je chybějící galvanické oddělení cívek.

Autotransformátory se používají v automatických řídicích zařízeních a jsou také široce používány ve vysokonapěťových elektrických sítích. Třífázové autotransformátory s zapojením do trojúhelníku nebo hvězdy v elektrických sítích jsou dnes velmi žádané.

Výkonové autotransformátory jsou k dispozici v kapacitách až stovek megawattů. Autotransformátory se také používají ke spouštění výkonných střídavých motorů. Autotransformátory jsou zvláště užitečné pro nízké transformační poměry.

Laboratorní autotransformátor

Speciálním případem autotransformátoru je laboratorní autotransformátor (LATR). Umožňuje plynule upravit napětí dodávané uživateli. Design LATR je toroidní transformátor s jediným vinutím, které má od zatáčky k zatáčce neizolovanou "stopu", to znamená, že je možné připojit ke každému ze závitů vinutí. Kontakt dráhy zajišťuje posuvný uhlíkový kartáč, který se ovládá otočným knoflíkem.

Takže můžete získat efektivní napětí s různými velikostmi na zátěži. Typické jednofázové pohony umožňují přijímat napětí od 0 do 250 voltů a třífázové - od 0 do 450 voltů. LATR s výkonem od 0,5 do 10 kW jsou velmi oblíbené v laboratořích pro účely ladění elektrických zařízení.

Transformátor napětí

Transformátor napětí se nazývá transformátor, jehož primární vinutí je připojeno ke zdroji proudu a sekundární vinutí k ochranným nebo měřicím zařízením, které mají nízký vnitřní odpor. Nejběžnějším typem proudového transformátoru je přístrojový proudový transformátor.

Primární vinutí proudového transformátoru (většinou pouze jeden závit, jeden vodič) je zapojeno do série v obvodu, ve kterém chcete měřit střídavý proud. Ukazuje se, že proud sekundárního vinutí je úměrný proudu primárního, zatímco sekundární vinutí musí být nutně zatíženo, protože jinak může být napětí sekundárního vinutí dostatečně vysoké na porušení izolace. Také pokud se otevře sekundární vinutí CT, magnetický obvod se jednoduše spálí z indukovaných nekompenzovaných proudů.

Konstrukce proudového transformátoru je jádro z vrstvené křemíkové elektrooceli válcované za studena, na které je navinuto jedno nebo více izolovaných sekundárních vinutí. Primárním vinutím je často jednoduše přípojnice nebo vodič s měřeným proudem procházejícím oknem magnetického obvodu (mimochodem, tento princip využívají klešťový měřič).Hlavní charakteristikou proudového transformátoru je transformační poměr, například 100/5 A.

Proudové transformátory jsou široce používány pro měření proudu a v obvodech ochrany relé. Jsou bezpečné, protože měřený a sekundární okruh jsou od sebe galvanicky odděleny. Obvykle se průmyslové transformátory proudu vyrábějí se dvěma nebo více skupinami sekundárních vinutí, z nichž jedna je připojena k ochranným zařízením, druhá k měřicímu zařízení, jako jsou měřiče.

Pulzní transformátor

Téměř ve všech moderních síťových zdrojích, v různých měničích, ve svařovacích strojích a v jiných výkonových a nízkopříkonových elektrických měničích se používají pulzní transformátory.Pulzní obvody dnes téměř úplně nahradily těžké nízkofrekvenční transformátory s laminovanými ocelovými jádry.

Typický pulzní transformátor je transformátor s feritovým jádrem. Tvar jádra (magnetického obvodu) může být zcela odlišný: prsten, tyč, pohár, ve tvaru W, ve tvaru U. Výhoda feritů oproti transformátorové oceli je zřejmá — feritové transformátory mohou pracovat při frekvencích až 500 kHz nebo více.

Vzhledem k tomu, že pulzní transformátor je vysokofrekvenční transformátor, jeho rozměry se s rostoucí frekvencí výrazně zmenšují. Pro vinutí je potřeba méně drátu a budicí proud je dostatečný k získání vysokofrekvenčního proudu v primární smyčce, IGBT nebo bipolární tranzistor, někdy několik, v závislosti na topologii pulsního napájecího obvodu (dopředu — 1, push-pull — 2, poloviční můstek — 2, můstek — 4).

Abychom byli spravedliví, poznamenáme, že pokud je použit obvod reverzního napájení, pak je transformátor v podstatě dvojitou tlumivkou, protože procesy akumulace a uvolňování elektřiny v sekundárním obvodu jsou časově odděleny, to znamená, že neprobíhají současně je tedy s řídicím obvodem flyback stále tlumivkou, ale ne transformátorem.

Impulzní obvody s transformátory a feritovými tlumivkami dnes najdeme všude, od předřadníků energeticky úsporných žárovek a nabíječek různých přístrojů až po svářečky a výkonné měniče.

Pulzní transformátor proudu

Pro měření velikosti a (nebo) směru proudu v impulsních obvodech se často používají impulsní transformátory proudu, které jsou feritovým jádrem, často prstencového (toroidního), s jedním vinutím.Kruhem jádra prochází drát, jehož proud má být zkoumán, a samotná cívka je naložena na rezistor.

Například kroužek obsahuje 1000 závitů drátu, pak poměr proudů primárního (závitového drátu) a sekundárního vinutí bude 1000 ku 1. Je-li vinutí kroužku zatíženo rezistorem známé hodnoty, bude vinutí kroužku zatíženo odporem. pak napětí naměřené na něm bude úměrné proudu cívky, což znamená, že naměřený proud je 1000krát větší než proud procházející tímto rezistorem.

Průmysl vyrábí impulsní transformátory proudu s různými transformačními poměry. K takovému transformátoru stačí konstruktérovi připojit odpor a měřicí obvod. Pokud chcete znát směr proudu, ne jeho velikost, pak se vinutí proudového transformátoru jednoduše nabíjí dvěma protilehlými zenerovými diodami.

Komunikace mezi elektrickými stroji a transformátory

Elektrické transformátory jsou vždy zařazeny do výuky elektrických strojů ve všech elektrotechnických oborech vzdělávacích institucí. Elektrický transformátor v podstatě není elektrický stroj, ale elektrický přístroj, jelikož zde nejsou žádné pohyblivé části, jejichž přítomnost je charakteristickým znakem každého stroje jako typu mechanismu.Z tohoto důvodu jsou zmíněné kurzy v aby se předešlo nedorozuměním, by se měly nazývat „kurzy elektrických strojů a elektrických transformátorů“.

Zařazení transformátorů do všech kurzů elektrických strojů je ze dvou důvodů.Jeden je historického původu: stejné továrny, které stavěly elektrické stroje na střídavý proud, také stavěly transformátory, protože pouhá přítomnost transformátorů dávala strojům na střídavý proud výhodu oproti strojům stejnosměrným, což nakonec vedlo k jejich převaze v průmyslu. A nyní je nemožné si představit velkou AC instalaci bez transformátorů.

S rozvojem výroby střídavých strojů a transformátorů však vyvstala nutnost soustředit výrobu transformátorů do speciálních transformátoroven. Faktem je, že díky možnosti přenosu střídavého proudu pomocí transformátorů na velké vzdálenosti byl nárůst vyššího napětí transformátorů mnohem rychlejší než nárůst napětí elektrických strojů na střídavý proud.

V současné fázi vývoje elektrických strojů na střídavý proud je pro ně nejvyšší racionální napětí 36 kV. Nejvyšší napětí ve skutečně realizovaných elektrických transformátorech přitom dosáhlo 1150 kV. Tak vysoká napětí transformátorů a jejich provoz na nadzemních elektrických vedeních vystavených blesku vedly k velmi specifickým problémům s transformátory, které jsou pro elektrické stroje cizí.

To vedlo k výrobě technologických problémů natolik odlišných od technologických problémů elektrotechniky, že se oddělení transformátorů do samostatné výroby stalo nevyhnutelným. První důvod – průmyslové spojení, které přivedlo transformátory do blízkosti elektrických strojů – tedy zmizelo.

Druhý důvod je zásadní povahy a spočívá v tom, že elektrické transformátory používané v praxi, stejně jako elektrické stroje, jsou založeny na princip elektromagnetické indukce (Faradayův zákon), — zůstává mezi nimi neotřesitelné pouto. Pro pochopení mnoha jevů ve střídavých strojích je zároveň naprosto nezbytná znalost fyzikálních procesů probíhajících v transformátorech a navíc lze teorii velké třídy střídavých strojů redukovat na teorii transformátory, což usnadňuje jejich teoretické úvahy.

Proto v teorii střídavých strojů zaujímá pevné místo teorie transformátorů, z čehož však nevyplývá, že transformátory lze nazývat elektrickými stroji. Kromě toho je třeba mít na paměti, že transformátory mají jiné nastavení cílů a proces přeměny energie než elektrické stroje.

Elektrický stroj má za úkol přeměňovat mechanickou energii na elektrickou energii (generátor) nebo naopak elektrickou energii na mechanickou energii (motor), zatímco u transformátoru máme co do činění s přeměnou druhu elektrické energie střídavého proudu na střídavou. aktuální elektrická energie. proud jiného druhu.