Transformátory: zařízení a principy činnosti, účel a rozsah zařízení

Název "transformátor" pochází z latinského slova "transformare", což znamená "transformovat, transformovat". To je právě jeho podstata - přeměna střídavého proudu jednoho napětí magnetickou indukcí na střídavý proud jiného napětí, ale podobné frekvence. Hlavním účelem transformátoru je použití různých zařízení v energetických sítích a napájecích zdrojích.

Zařízení a princip činnosti

Transformátor je zařízení pro přeměnu střídavého proudu a napětíbez pohyblivých částí.

Zařízení transformátorů se skládá z jednoho nebo více izolovaných vodičů, někdy páskových cívek (vinutí), které jsou pokryty jediným magnetickým tokem. Cívky jsou obvykle navinuty na jádru (magnetický obvod). Obvykle se vyrábí z feromagnetického materiálu.

Na obrázku je schematicky znázorněn princip činnosti transformátoru.

Obrázek ukazuje, že primární vinutí je připojeno ke zdroji střídavého proudu a druhé (sekundární) k zátěži. V závitech primárního vinutí protéká střídavý proud, jeho hodnota I1. A obě cívky jsou obklopeny magnetickým tokem Ф, který v nich vytváří elektromotorickou sílu.

Pokud je sekundární vinutí bez zátěže, pak se tento režim provozu měniče nazývá "nečinný". Při zatížení sekundární cívky vzniká působením elektromotorické síly v sekundární cívce proud I2.

Výstupní napětí v tomto případě přímo závisí na počtu závitů na cívkách a síla proudu závisí na průměru (úseku) drátu. Jinými slovy, pokud mají obě cívky stejný počet závitů, pak se výstupní napětí bude rovnat vstupnímu napětí. A pokud na sekundární cívku namotáte 2x tolik závitů, tak napětí na výstupu bude 2x vyšší než na vstupu.

Konečný proud také závisí na průměru drátu vinutí. Například při velkém zatížení a malém průměru drátu může dojít k přehřátí vinutí, porušení celistvosti izolace a dokonce i úplnému selhání transformátoru.

Aby se takovým situacím předešlo, byly zpracovány tabulky pro výpočet převodníku a výběr průměru vodiče pro dané výstupní napětí.

Klasifikace podle typu

Je obvyklé klasifikovat transformátory podle několika kritérií: podle účelu, podle způsobu instalace, podle typu izolace, podle použitého napětí atd. Podívejme se na nejběžnější typy zařízení.

Výkonové měniče

Tento typ zařízení slouží k napájení a příjmu elektrické energie na elektrických vedeních a z vedení s napětím do 1150 kW. Odtud název - síla. Tato zařízení pracují na nízkých frekvencích - řádově 50-60 Hz. Jejich konstrukční vlastnosti spočívají v tom, že mohou obsahovat několik vinutí, která jsou umístěna na pancéřovém jádru z elektrooceli. Kromě toho mohou být nízkonapěťové cívky napájeny paralelně.

Takové zařízení se nazývá transformátor s děleným vinutím. Výkonové transformátory jsou obvykle umístěny v nádrži s transformátorovým olejem a nejvýkonnější jednotky jsou chlazeny aktivním systémem. Pro instalaci na rozvodnách a elektrárnách, třífázová zařízení s kapacitou do 4 tis. kVA. Jsou nejrozšířenější, protože ztráty v nich jsou sníženy o 15% ve srovnání s jednofázovými.

Autotransformátory (LATR)

Jedná se o speciální druh nízkofrekvenčního zařízení. V něm je sekundární vinutí současně součástí primárního a naopak. To znamená, že cívky jsou spojeny nejen magneticky, ale i elektricky. Z jednoho vinutí se získá různá napětípokud se vyvodí několik závěrů. Díky použití menšího počtu vodičů je dosaženo snížení nákladů na zařízení. Nedochází však ke galvanickému oddělení vinutí, což je již značný nedostatek.

Autotransformátory našly uplatnění ve vysokonapěťových sítích a v automatických řídicích instalacích pro spouštění střídavých motorů. Je vhodné je používat při nízkých transformačních poměrech. LATR se používá pro regulaci napětí v laboratorních podmínkách.

Proudové transformátory

U takových zařízení je primární vinutí připojeno přímo ke zdroji proudu a sekundární vinutí je připojeno k zařízením s malým vnitřním odporem. Mohou to být ochranná nebo měřicí zařízení. Nejběžnějším typem proudového transformátoru je měřicí.

Skládá se z jádra vyrobeného z vrstvené křemíkové elektrooceli válcované za studena s jedním nebo více samostatnými sekundárními vinutími navinutými kolem něj. Zatímco primární může být jen sběrnice nebo vodič s měřeným proudem procházejícím okénkem magnetického obvodu. Podle tohoto principu fungují například klešťové měřiče. Hlavní charakteristikou transformátorového proudu je transformační poměr.

Takové převodníky jsou bezpečné, a proto našly uplatnění při měření proudu a v obvodech ochrany relé.

Pulzní měniče

V moderním světě impulsní systémy téměř úplně nahradily těžké nízkofrekvenční transformátory. Typicky je pulzní zařízení vyrobeno na feritovém jádru různých tvarů a velikostí:

• prsten;
• jádro;
• pohár;
• ve tvaru písmene W;
• ve tvaru U.

O nadřazenosti takových zařízení není pochyb - jsou schopny pracovat na frekvencích až 500 kHz a více.

Jelikož se jedná o vysokofrekvenční zařízení, jeho rozměry se s rostoucí frekvencí výrazně zmenšují. Na jedno vinutí se spotřebuje menší množství drátu a pro získání vysokofrekvenčního proudu v prvním obvodu stačí pouze připojit polní nebo bipolární tranzistor.

Existuje mnohem více typů transformátorů: izolační, přizpůsobovací, špičkové transformátory, dvojitá tlumivka atd. Všechny jsou široce používány v moderním průmyslu.

Rozsah zařízení

Dnes si snad už jen těžko lze představit oblast vědy a techniky, kde se transformátory nepoužívají. Jsou široce používány pro následující účely:

1. Pro přenos a rozvod elektřiny.
2. Chcete-li vytvořit platný obvod spínání ventilů. Používá se při převodech zařízení se současným přizpůsobením vstupního a výstupního napětí.
3. Ve výrobě: ve svařování, pro zásobování elektrotepelných instalací atd. Výkon takových zařízení někdy dosahuje desítek tisíc kVA a napětí až 10 kV a pracovní rozsah je 50 Hz.
4. Nízkonapěťové a nízkonapěťové měniče se používají pro rozhlasová a televizní zařízení, komunikační zařízení, domácí spotřebiče, pro přizpůsobení napětí atd.
5. Když jsou elektrické měřicí přístroje a relé součástí vysokonapěťových elektrických obvodů, aby se rozšířil rozsah měření a zajistila se elektrická bezpečnost.

Na základě rozmanitosti zařízení a typů transformátorů lze tvrdit, že dnes jsou nenahraditelnízařízení používaná téměř univerzálně, díky čemuž stabilita a dosažení hodnot napětí požadovaných spotřebitelem jak pro občanské sítě, tak pro podnikové sítě průmysl.