Budowa transformatora i jego głównych części: twornika, uzwojenia pierwotnego i wtórnego

Transformator to maszyna elektryczna służąca do przesyłania energii prądu przemiennego przez indukcję z jednego obwodu elektrycznego do drugiego ze zmianą parametrów. Ponieważ nie ma ruchomych części, można go zaklasyfikować jako urządzenie.

Główne części transformatora - rdzeń i uzwojenia - są naprawdę nieruchome i nie przetwarzają energii elektrycznej na mechaniczną, więc oba terminy (maszyna i urządzenie) będą poprawne.

Zasada działania

Konstrukcja transformatora opiera się na prawie Faradaya, zgodnie z którym zmienne pole magnetyczne może powodować napięcie przemienne na końcach pętli z przewodnika. W najprostszym transformatorze zjawisko to wywołuje owinięcie kilku zwojów drutu wokół rdzenia wykonanego z materiału magnetycznego. Zazwyczaj istnieją dwa rodzaje uzwojeń:

• pierwotny (podłączony do generatora, sieci lub innego źródła);
• wtórne (podłączone do obciążenia).

Zasadniczo dowolne dwie (lub więcej) cewki indukcyjne, które są wystarczająco blisko siebie, będą działać jak transformator. A im bardziej są połączone magnetycznie, tym wydajniejsza ich praca.

Ze zmianami pola magnetycznego spowodowanymi przepływem prądu zmiennego przez uzwojenie pierwotne uzwojenia, napięcie jest indukowane w uzwojeniach wtórnych w pełnej zgodności z magnetycznym pole.

Zasada ta jest również stosowana w alternatorach, silnikach elektrycznych i głośnikach.

Głównym zadaniem transformatorów jest zwiększenie lub zmniejszenie napięcia z odpowiednim wzrostem lub spadkiem prądu. Każdy z nich, niezależnie od swojego przeznaczenia i roli w obwodach elektrycznych, ma: o tak wspólnych cechach:

• w oparciu o prawo indukcji elektromagnetycznej;
• częstotliwość prądu wejściowego i wyjściowego jest taka sama;
• uzwojenia pierwotne i wtórne pozbawione są połączenia elektrycznego - moc przekazywana jest tylko poprzez strumień magnetyczny.

Główne części konstrukcyjne

Rozmiary transformatorów wahają się od miniaturowych do przesyłu poniżej jednej tysięcznej woltampera do ogromnych jednostek ważących ponad 100 ton, pracujących z wydajnością kilku milionów woltamperów. I są używane do różnych celów.

W związku z tym są wyposażone w różne warianty schematów uzwojenia, rodzaje rdzeni i materiały do ​​produkcji części konstrukcyjnych. Ponadto konstrukcja transformatora może umożliwiać integrację systemów pomocniczych, takich jak wymuszone chłodzenie cieczą lub powietrzem.

Rdzeń magnetyczny

Zdolność substancji do przenoszenia pola magnetycznego nazywana jest przepuszczalnością. Wartość ta dla rdzeni waha się w szerokim zakresie, w zależności od użytych materiałów i sposobu ich obróbki. Przepuszczalność powietrza jest równa jeden. Większość tradycyjnych rdzeni ma znacznie wyższą wartość. Charakterystyka niektórych materiałów stosowanych jako obwód magnetyczny:

• Powietrze. Zapewnia gorszą retencję przepływu, ale idealnie nadaje się do wysokich częstotliwości.
• Stale transformatorowe. Przepuszczalność 500 i więcej.
• Kompozyty proszkowe. Wyprodukować przez spiekanie cząstek magnetycznych za pomocą środka wiążącego, a następnie wypalanie. Powstały materiał ceramiczny ma doskonałe właściwości przy częstotliwościach powyżej 1 MHz. Przepuszczalność od 40 i więcej.
• Ferryty. Ceramika magnetyczna jest zwykle wykonana z egzotycznych materiałów magnetycznych. Niezwykle wysoka przepuszczalność (500 do 9000 i więcej) i doskonała wydajność od 50 kHz do 1 MHz.

Teoretycznie kompozyty proszkowe i ferryty są klasyfikowane jako miękkie. Ta cecha nie ma nic wspólnego z ich właściwościami fizycznymi, ale wskazuje na ich przydatność do remanencji. W magnesach trwałych stosuje się sztywne materiały magnetyczne, które są w stanie zatrzymać większość pierwotnie indukowanego w nich pola magnetycznego.

Obwody magnetyczne transformatorów są wystawione na działanie pola zmiennego, które w masywnych przewodnikach jest w stanie indukować tzw. prądy wirowe - zwykłe prądy indukcyjne, które zamknęły swój ruch wewnątrz warstw konduktor.

Zjawisko to prowadzi do strat przesyłowych i przegrzania transformatora. Skutecznym sposobem radzenia sobie z prądami wirowymi jest zastosowanie rdzeni laminowanych (wyciąganych z izolowanych płyt). W takim przypadku, aby uzyskać dobry wynik, ważne jest zapewnienie prawidłowych kierunków strumieni magnetycznych w konstrukcji transformatora.

Uzwojenia i izolacja

Jako główny przewodnik prądu w uzwojeniach transformatora stosowane są dwa rodzaje przewodów - aluminium i miedź. Te pierwsze są znacznie lżejsze i z reguły tańsze. Przewody aluminiowe muszą mieć większy przekrój, aby przenosić taką samą ilość prądu jak przewody miedziane. Dlatego są stosowane w stacjonarnych transformatorach mocy. W przypadku sieci i obwodów elektrycznych niskiego napięcia o małej mocy stosowanie drutów miedzianych jest uzasadnione, ponieważ mają one większą wytrzymałość i zwartość w uzwojeniach.

Aby zapobiec zamykaniu się stykających się zwojów, są one wstępnie izolowane. Z reguły w przypadku transformatorów z chłodzeniem powietrzem stosuje się gotowy drut z nałożoną na niego emalią lub w jedwabnym oplocie.

W dużych transformatorach zasilających i rozdzielczych przewody są izolowane od siebie za pomocą papieru lub tkaniny nasączonej olejem. W tej konstrukcji rdzeń wraz z uzwojeniami pracuje zanurzony w szczelnej kadzi z olejem transformatorowym. Ten ostatni służy jako izolator i czynnik chłodniczy.

Do zwalczania prądów wirowych w uzwojeniach często używają przewody wielodrutowe. W przypadku transformatorów o bardzo dużej mocy z tego samego powodu stosuje się taśmy i paski miedziane lub aluminiowe.

Uzwojenia pierwotne i wtórne mogą mieć połączenia zewnętrzne w punktach uzwojenia pośredniego. Ich celem jest zapewnienie wyboru stosunku napięcia dostarczanego i usuwanego.

Urządzenia te są niezwykle różnorodne i mogą być stosowane w najbardziej egzotyczny sposób: w komputerowych kartach sieciowych i modemach, wzmacniaczach mocy i kuchenkach mikrofalowych, samochodowe i morskie układy zapłonowe, ruchome cewki przedwzmacniacza gramofonowego i cewki Tesli, listwy zasilające - to tylko mała lista wielu typów transformatory.