Transformatory: urządzenie i zasady działania, przeznaczenie i zakres urządzenia

Nazwa „transformator” pochodzi od łacińskiego słowa „transformare”, co oznacza „przekształcać, przekształcać”. To jest właśnie jego istota - przekształcenie przez indukcję magnetyczną prądu przemiennego jednego napięcia na prąd przemienny o innym napięciu, ale o podobnej częstotliwości. Głównym przeznaczeniem transformatora jest zastosowanie różnorodnych urządzeń w sieciach elektroenergetycznych i zasilaczach.

Urządzenie i zasada działania

Transformator to urządzenie do przetwarzania prądu przemiennego i napięciabez ruchomych części.

Urządzenie transformatorów składa się z jednego lub więcej izolowanych przewodów, czasami cewek taśmy (uzwojeń), które są pokryte pojedynczym strumieniem magnetycznym. Cewki są zwykle nawinięte na rdzeń (obwód magnetyczny). Jest zwykle wykonany z materiału ferromagnetycznego.

Rysunek przedstawia schematycznie zasadę działania transformatora.

Rysunek pokazuje, że uzwojenie pierwotne jest podłączone do źródła prądu przemiennego, a drugie (wtórne) do obciążenia. W zwojach uzwojenia pierwotnego płynie prąd przemienny o wartości I1. Obie cewki są otoczone strumieniem magnetycznym Ф, który wytwarza w nich siłę elektromotoryczną.

Jeśli uzwojenie wtórne nie jest obciążone, ten tryb pracy konwertera nazywa się „bezczynnym”. Gdy uzwojenie wtórne jest obciążone, prąd I2 jest generowany w cewce wtórnej pod działaniem siły elektromotorycznej.

Napięcie wyjściowe w tym przypadku zależy bezpośrednio od liczby zwojów cewek, a natężenie prądu zależy od średnicy (przekroju) drutu. Innymi słowy, jeśli obie cewki mają taką samą liczbę zwojów, to napięcie wyjściowe będzie równe napięciu wejściowemu. A jeśli nawiniesz 2 razy więcej zwojów na cewce wtórnej, napięcie na wyjściu będzie 2 razy wyższe niż na wejściu.

Prąd końcowy zależy również od średnicy drutu nawojowego. Na przykład przy dużym obciążeniu i małej średnicy drutu może wystąpić przegrzanie uzwojenia, naruszenie integralności izolacji, a nawet całkowita awaria transformatora.

Aby uniknąć takich sytuacji sporządzono tabele obliczania przekształtnika i doboru średnicy przewodu dla danego napięcia wyjściowego.

Klasyfikacja według typu

Zwyczajowo klasyfikuje się transformatory według kilku kryteriów: według celu, metody instalacji, rodzaju izolacji, zastosowanego napięcia itp. Rozważmy najpopularniejsze typy urządzeń.

Konwertery mocy

Tego typu urządzenia służą do zasilania i odbioru energii elektrycznej na liniach elektroenergetycznych oraz z linii elektroenergetycznych o napięciu do 1150 kW. Stąd nazwa – moc. Urządzenia te działają na niskich częstotliwościach - rzędu 50-60 Hz. Ich cechy konstrukcyjne polegają na tym, że mogą zawierać kilka uzwojeń, które znajdują się na zbrojonym rdzeniu wykonanym ze stali elektrotechnicznej. Ponadto cewki niskiego napięcia mogą być zasilane równolegle.

Takie urządzenie nazywa się transformatorem z dzielonym uzwojeniem. Zazwyczaj transformatory mocy umieszczane są w kadzi z olejem transformatorowym, a jednostki o największej mocy są chłodzone przez układ aktywny. Do montażu w podstacjach i elektrowniach urządzeń trójfazowych o mocy do 4 tys. kVA. Są najbardziej rozpowszechnione, ponieważ straty w nich są zmniejszone o 15% w porównaniu z jednofazowymi.

Autotransformatory (LATR)

To specjalny rodzaj urządzenia o niskiej częstotliwości. W nim uzwojenie wtórne jest jednocześnie częścią pierwotnego i odwrotnie. Oznacza to, że cewki są połączone nie tylko magnetycznie, ale także elektrycznie. Z jednego uzwojenia uzyskuje się różne napięciajeśli wyciągnie się kilka wniosków. Dzięki zastosowaniu mniejszej liczby przewodów uzyskuje się obniżenie kosztów urządzenia. Nie ma jednak galwanicznej izolacji uzwojeń, a to już jest poważną wadą.

Autotransformatory znalazły zastosowanie w sieciach wysokiego napięcia oraz w instalacjach automatycznego sterowania, do rozruchu silników prądu przemiennego. Wskazane jest ich stosowanie przy niskich stopniach przemiany. LATR służy do regulacji napięcia w warunkach laboratoryjnych.

Przekładniki prądowe

W takich urządzeniach uzwojenie pierwotne jest podłączone bezpośrednio do źródła prądu, a uzwojenie wtórne do urządzeń o małej rezystancji wewnętrznej. Mogą to być urządzenia ochronne lub pomiarowe. Najpopularniejszym typem przekładnika prądowego jest przekładnik pomiarowy.

Składa się z rdzenia wykonanego z laminowanej krzemowej stali elektrotechnicznej walcowanej na zimno z jednym lub kilkoma oddzielnymi uzwojeniami wtórnymi nawiniętymi wokół niego. Natomiast pierwotnym może być po prostu magistrala lub przewód z mierzonym prądem przepływającym przez okienko obwodu magnetycznego. Na przykład mierniki cęgowe działają zgodnie z tą zasadą. Główną cechą prądu transformatora jest współczynnik transformacji.

Takie przetworniki są bezpieczne i dlatego znalazły zastosowanie w pomiarach prądu oraz w obwodach zabezpieczających przekaźniki.

Konwertery impulsów

We współczesnym świecie systemy impulsowe prawie całkowicie zastąpiły ciężkie transformatory o niskiej częstotliwości. Zazwyczaj urządzenie impulsowe jest wykonane na rdzeniu ferrytowym o różnych kształtach i rozmiarach:

• dzwonić;
• jądro;
• filiżanka;
• w formie litery W;
• W kształcie litery U.

Wyższość takich urządzeń jest niekwestionowana - mogą pracować na częstotliwościach do 500 kHz i więcej.

Ponieważ jest to urządzenie o wysokiej częstotliwości, jego rozmiar znacznie się zmniejsza wraz ze wzrostem częstotliwości. Mniejsza ilość drutu zużywa się na uzwojenie, a do uzyskania prądu o wysokiej częstotliwości w pierwszym obwodzie wystarczy podłączyć tranzystor polowy lub bipolarny.

Istnieje wiele innych rodzajów transformatorów: izolacyjne, dopasowujące, szczytowe, podwójne dławiki itp. Wszystkie mają szerokie zastosowanie w nowoczesnym przemyśle.

Zakres urządzeń

Dziś być może trudno sobie wyobrazić dziedzinę nauki i techniki, w której nie stosuje się transformatorów. Są szeroko stosowane do następujących celów:

1. Do przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej.
2. Aby utworzyć prawidłowy obwód zaworu. Służy do przetwarzania urządzeń z jednoczesnym dopasowaniem napięcia wejściowego i wyjściowego.
3. W produkcji: w spawalnictwie, do zasilania instalacji elektrotermicznych itp. Moc takich urządzeń sięga niekiedy dziesiątek tysięcy kVA i napięć do 10 kV, a zakres pracy to 50 Hz.
4. Przetwornice małej mocy i niskiego napięcia są stosowane w sprzęcie radiowo-telewizyjnym, urządzeniach komunikacyjnych, sprzęcie AGD, do dopasowywania napięcia itp.
5. Gdy elektryczne przyrządy pomiarowe i przekaźniki są zawarte w obwodach elektrycznych wysokiego napięcia w celu rozszerzenia zakresów pomiarowych i zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego.

Na podstawie różnorodności urządzeń i rodzajów zastosowań transformatorów można argumentować, że dziś są niezastąpioneurządzenia, które są używane niemal powszechnie, dzięki czemu stabilność i osiągnięcie wymaganych przez odbiorcę wartości napięć zarówno dla sieci cywilnych, jak i sieci korporacyjnych, przemysł.