Co je to transformátor a princip jeho činnosti?

Nejběžnějšími elektrickými zařízeními v průmyslu a každodenním životě jsou transformátory. Jejich účelem je přenášet energii v nesrovnatelném elektrickém obvodu mezi jeho různými obvody. Používají se v případech, kdy je nutné snížit nebo zvýšit napětí mezi zdrojem energie a spotřebičem. Transformátory jsou také součástí napájecích obvodů, které převádějí střídavý proud na stejnosměrný proud. Činnost transformátorů je založena na jejich schopnosti přenášet elektřinu mezi obvody prostřednictvím magnetické indukce.

Výkonové transformátory jsou elektromagnetická zařízení určená k přeměně napětí střídavého proudu při zachování jeho frekvence a také k přeměně samotného napájecího systému.

Obsah

1. Návrh a uspořádání výkonových transformátorů
2. Princip činnosti
3. Klasifikace výkonových transformátorů
4. Typy výkonových transformátorů
5. Prvky výkonového transformátoru
6. Parametry výkonového transformátoru
7. Jak vybrat napájecí transformátor
8. Oprava a údržba
9. Co je to transformátor?
10. Některá historická fakta
11. Obecné zařízení a princip činnosti
12. Základní principy fungování
13. Provozní režimy
14. Технические характеристики
15. Typy transformátorů
16. Napájení
17. Autotransformátory
18. Napětí
19. Puls
20. Svařování
21. Dělení
22. Vhodný
23. špičkové transformátory
24. Vzduch a olej
25. duální sytič
26. rotující
27. Označení na schématech
28. Aplikace

Návrh a uspořádání výkonových transformátorů

Hlavní částí každého výkonového transformátoru je jeho jádro s několika vinutími, vyrobené z feromagnetického materiálu. Zpravidla se jedná o tenké plechy speciálního transformátorového železa s měkkými magnetickými vlastnostmi. Plechy jsou položeny tak, že tvar průřezu tyčí pod vinutím je blízký kruhu. Pro zvýšení účinnosti zařízení a snížení ztrát překrývají spoje mezi jednotlivými deskami celé plechy.

Vinutí transformátoru je obvykle vyrobeno z měděného drátu s obdélníkovým nebo kulatým průřezem. Každý závit je izolován od samotného magnetického jádra, stejně jako od sousedních závitů. Pro cirkulaci chladicí kapaliny jsou mezi vinutím a jeho jednotlivými vrstvami vytvořeny technické dutiny.

Každý transformátor má minimálně dvě vinutí: primární (do něj je přiváděn elektrický proud) a sekundární (proud se odebírá po přeměně jeho napětí).

Princip činnosti

Principem činnosti jakéhokoli výkonového transformátoru je fenomén elektromagnetické indukce. Do primárního vinutí je přiváděn střídavý proud, který tvoří střídavý magnetický tok v magnetickém obvodu. K tomu dochází v důsledku jeho zkratu na magnetickém obvodu a vytvoření adheze mezi vinutími, což vyvolává EMF. Zátěž připojená k sekundárnímu vinutí v něm vytváří napětí a proud.

Konstrukčně se pro získání jakéhokoli napětí na sekundárním vinutí používá požadovaný poměr závitů mezi vinutími. Výkonový transformátor má vlastnost reverzibility. Jinými slovy, lze jej použít ke zvýšení i snížení napětí. Ve většině případů se k řešení určitých problémů používá výkonový transformátor. Například konkrétně zvýšit nebo snížit napětí. U stupňovitého transformátoru je napětí na primárním vinutí nižší než na sekundárním.

Klasifikace výkonových transformátorů

V závislosti na napěťové třídě a celkové spotřebě energie jsou výkonové transformátory konvenčně rozděleny do následujících kategorií:

Do 100 kVA, do 35 kV;

100 – 1000 kVA, do 35 kV;

1000 – 6300 kVA, do 35 kV;

Více než 6300 kVA, až 35 kV;

Do 32 000 kVA, 35 – 110 kV;

32 000 – 80 000 kVA, do 330 kV;

80 000 – 200 000 kVA, do 330 kV;

Více než 200 000 kVA, více než 330 kV.

Typy výkonových transformátorů

Výkonové transformátory lze rozdělit do několika typů na základě následujících charakteristik a indikátorů:

Typ chlazení. Existují suché a olejové transformátory. První varianta je vzduchem chlazená a používá se tam, kde jsou zvýšené požadavky na ochranu životního prostředí a požární bezpečnost. Druhou možností je pouzdro naplněné olejem s dielektrickými vlastnostmi, do kterého je ponořeno jádro s vinutími;

Klimatický design: vnější a vnitřní možnosti;

Počet fází. Existují třífázové (nejběžnější) a jednofázové;

Počet závitů. Existují možnosti se dvěma vinutími a více vinutími;

Účel: zvýšení a snížení.

Dalším kritériem je přítomnost nebo nepřítomnost regulátoru výstupního napětí.

Prvky výkonového transformátoru

Konstrukce výkonového transformátoru předpokládá přítomnost následujících prvků:

Napájecí vstupy jsou zařízení, přes která je napájena zátěž. Může být umístěn uvnitř nebo venku. Průchodky jsou izolovány různými speciálními materiály a liší se typem izolace a provedením;

Chladiče. Pro výkonné výkonové transformátory je k dispozici olejový chladicí systém. Chlazení samotného oleje se provádí pomocí radiátorů, vlnité nádrže, nucené ventilace, chladičů oleje a vody nebo oběhových čerpadel;

Regulátory výstupního napětí jsou zařízení určená ke změně transformačního poměru. Mohou pracovat jak pod vlivem určité zátěže, tak bez ní (v závislosti na konstrukci). Regulátory v podstatě přidávají nebo snižují počet závitů ve vinutí.

Výkonové transformátory mohou být vybaveny dalšími nástavci:

Plynové relé je zařízení s ochrannou funkcí. Pokud je transformátor nestabilní, olej se rozkládá na jeho složky, přičemž se uvolňuje plyn. Plynové relé buď vypne transformátor, nebo upozorní varovnými signály;

Indikátory teploty – snímače, které měří teplotu oleje;

Absorbéry vysoušedla jsou zařízení, která pohlcují kondenzát vytvořený pod ochranným krytem, ​​čímž zabraňují jeho vniknutí do oleje;

systém regenerace oleje;

Automatický ochranný systém proti zvýšení tlaku chladicí kapaliny;

Ukazatel hladiny oleje.

Parametry výkonového transformátoru

Jmenovitý výkon. U transformátoru se dvěma vinutími je parametr roven výkonu každého z nich. U verze se třemi vinutími s různými výkonovými vinutími se parametr rovná většímu z indikátorů;

Jmenovité napětí vinutí je charakteristickým parametrem pro provoz naprázdno;

Jmenovitý proud je indikátor, při kterém je povolen dlouhodobý provoz zařízení;

Zkratové napětí je charakteristikou impedance vinutí.

Proud naprázdno – ztráty materiálu magnetického jádra (reaktivní a aktivní);

Ztráty proudu naprázdno;

Jak vybrat napájecí transformátor

Výběr výkonového transformátoru pro provoz v podnicích je založen na výběru výkonu a také v souladu s požadavky na spolehlivost napájení. Pro zajištění nepřetržitého napájení je v některých případech nutné instalovat několik transformátorů. Výkon každého zařízení je volen tak, že v případě jeho výpadku jsou ostatní zařízení schopna převzít funkce tohoto chybějícího článku s přihlédnutím k možnému přetížení.

Dalším důležitým kritériem je dostupnost ochrany:

Od vnitřního poškození. Vybaveno zařízeními, která monitorují přítomnost plynů, teplotu, tlak a hladinu olejového chladiče;

Z přetížení. Při instalaci proudových transformátorů na každou fázi se používá tzv. diferenciální ochrana.

Oprava a údržba

Spolehlivost výkonových transformátorů přímo závisí na kvalitě a včasnosti jejich údržby. Zařízení instalovaná v prostorách, kde pracuje personál elektrárny, podléhají každodenní kontrole se sledováním ukazatelů hladiny oleje, stavu absorbéru a regeneračních zařízení. Kromě toho se kontroluje integrita těla a hlavních prvků. Transformátory v místnostech bez personálu jsou kontrolovány jednou měsíčně a transformátorové body – dvakrát ročně.

Neplánovaná kontrola výkonového transformátoru a jeho ochranných systémů se provádí při prudké změně okolní teploty a také v havarijních podmínkách. Zařízení pro regulaci napětí také podléhají pravidelné údržbě. Důvodem je oxidace kontaktních skupin, která vede ke zvýšení jejich přechodového odporu. Před sezónními změnami zátěže (obvykle dvakrát ročně) je zařízení odpojeno od spotřebičů a napájení, načež se regulátor napětí přesune postupně do všech možných poloh. Postup pomáhá zničit oxidový film.

Laboratorní rozbor oleje se provádí každý rok při větších opravách. Pokud olej při vizuální kontrole (barva) nebo podle kontrolních údajů nevyhovuje požadavkům, je vyměněn nebo dolit.

Jsme zvyklí, že napětí v zásuvce je vždy 220 V. Možná ne všichni čtenáři tuší, že před dosažením spotřebitele byly provedeny přeměny elektrické energie. Před vstupem do vodičů elektrického vedení bylo střídavé napětí zvýšeno na desítky až stovky kilovoltů a na výstupu bylo sníženo na obvyklých 220 V. Tyto přeměny prováděly výkonové transformátory. V tomto článku vám řeknu, co je transformátor jednoduchými slovy.

Potřeba konverze střídavého napětí vzniká téměř na každém kroku. Nejčastěji cítíme potřebu snížit napětí, protože většina součástí moderních elektronických zařízení pracuje na nízkém napětí. Některé obvody vysokonapěťových uzlů však vyžadují značné napětí, řádově několik tisíc voltů.

Rýže. 1. Průmyslový transformátor

Co je to transformátor?

Ve zkratce se jedná o stacionární zařízení sloužící k převodu střídavého napětí při zachování frekvence proudu. Činnost transformátoru je založena na vlastnostech elektromagnetické indukce.

Některá historická fakta

Činnost transformátoru byla založena na jevu magnetické indukce, který objevil M. Faraday v roce 1831. Fyzik pracující se stejnosměrným elektrickým proudem si všiml odchylky jehly galvanometru připojené k jedné ze dvou cívek navinutých na jádru. Navíc galvanometr reagoval pouze v momentech sepnutí první cívky.

Vzhledem k tomu, že experimenty byly prováděny ze zdroje stejnosměrného proudu, Faraday nemohl vysvětlit objevený jev.

Prototyp transformátoru se objevil až v roce 1848. Vynalezl jej německý mechanik G. Rumkorf, nazval zařízení indukční cívkou speciální konstrukce. Ruhmkorf však transformaci výstupních napětí nezaznamenal.Za datum narození prvního transformátoru se považuje den udělení patentu P. N. Yabločkovovi na vynález zařízení s otevřeným jádrem. Stalo se tak 30.11.1876. listopadu XNUMX.

Typy aparátů s uzavřenými jádry se objevily v roce 1884. Vytvořili je Britové John a Edward Gopkninsonovi.

Celkově vzato technický zájem elektromechaniky o střídavý proud vznikl pouze díky vynálezu transformátoru. Debatu o výhodách střídavého napětí vyhrály nápady ruského elektrotechnika M. O. Doliva-Dobrovolského a světoznámého Nikoly Tesly právě kvůli možnosti transformace proudu.

S vítězstvím myšlenek těchto velkých elektrotechniků dramaticky vzrostla potřeba transformátorů, což vedlo k jejich zdokonalení a vytvoření nových typů zařízení.

Obecné zařízení a princip činnosti

Uvažujme návrh jednoduchého transformátoru se dvěma cívkami namontovanými na uzavřeném magnetickém obvodu (viz obr. 2). Cívka, do které je přiváděn proud, se nazývá primární cívka a výstupní cívka se nazývá sekundární cívka.

Obrázek 2. Transformátorové zařízení

Prakticky všechny typy transformátorů využívají k přeměně napětí přiváděného do primárního okruhu elektromagnetickou indukci. V tomto případě je výstupní napětí odstraněno ze sekundárních vinutí. Liší se pouze tvarem, materiály magnetických obvodů a způsoby vinutí cívek.

Feromagnetická jádra se používají v nízkofrekvenčních modelech. Pro taková jádra se používají materiály:

U některých vysokofrekvenčních modelů mohou chybět magnetická jádra a u některých produktů jsou použity materiály z vysokofrekvenčního feritu nebo alsiferu.

Vzhledem k tomu, že vlastnosti feromagnetik se vyznačují nelinearitou magnetizace, jsou jádra vyrobena z plošných materiálů, na které jsou navlečena vinutí. Nelineární indukčnost vede k hysterezi, k jejímuž snížení se používá metoda směšování magnetických obvodů.

Tvar jádra může být ve tvaru W nebo toroidní.

Obrázek 3. Vzhled transformátoru

Základní principy fungování

Když je na svorky primárních vinutí přiváděn sinusový proud, vytváří ve druhé cívce střídavé magnetické pole, pronikající do magnetického obvodu. Změna magnetického toku zase vyvolává indukci EMF v cívkách. V tomto případě je velikost EMF napětí ve vinutí úměrná počtu závitů a frekvenci proudu. Poměr počtu závitů v primárním okruhu k počtu závitů v sekundární cívce se nazývá transformační poměr: k = W₁ / Ž₂, kde jsou symboly W₁ a w₂ je uveden počet závitů cívek.

Provozní režimy

Výkonový transformátor může pracovat ve třech režimech:

• v klidovém stavu;
• v režimu zatížení;
• v režimu zkratu.

Protože v obvodu otevřeného sekundárního vinutí není žádný proud, v tomto stavu cirkuluje primárním vinutím proud naprázdno. Parametry tohoto proudu se použijí při výpočtu účinnosti, určí se transformační poměr a zjistí se ztráty v aktivní zóně.

Hlavním provozním režimem transformátoru je stav, kdy je na jeho druhé vinutí připojena jmenovitá zátěž. Primární proud lze vyjádřit pomocí výsledného proudu naprázdno a jmenovitého zatěžovacího odporu.

V režimu zkratu sekundárního vinutí je veškerý výkon soustředěn v obvodech vinutí. V tomto stavu je možné určit ztráty vynaložené na ohřev vodičů ve vinutích.

Технические характеристики

Důležitou charakteristikou jsou transformační poměry. Ukazují závislost výstupního napětí na poměru závitů vinutí. Transformační koeficient je základním parametrem při výpočtu.

Další důležitou vlastností transformátoru je jeho účinnost. V některých zařízeních je tento indikátor 0,9 – 0,98, což charakterizuje nevýznamné ztráty magnetických rozptylových polí. Výkon P závisí na ploše S průřezu magnetického obvodu. Podle hodnoty S při výpočtu parametrů transformátoru určete počet závitů v cívkách: W = 50 / S.

V praxi se výkon volí na základě očekávané zátěže s přihlédnutím ke ztrátám v jádře. Výkon sekundárního vinutí P_н=U_н× I_нa výkon primární cívky P_с=U_с× I_с. Ideálně P_н = P_с (Pokud zanedbáme ztráty v jádře). Potom k = U_с / U_н = I_с / I_н to znamená, že proudy v každém z vinutí jsou nepřímo úměrné jejich napětím, a tedy počtu závitů.

Typy transformátorů

Aby se vyřešily problémy transformace napětí v různých obvodech, byly vynalezeny transformátory různých konstrukcí. Výrobci volí vlastní koncepce magnetických obvodů (viz obr. 4), které neovlivňují činnost a parametry zařízení:

• tyčový typ (používá se hlavně pro třífázové konstrukce);
• typ pancéřování (třífázová zařízení);
• toroidní jádro se často používá v transformátorech používaných v různých elektrických zařízeních.

Širší rozsah pokrývá klasifikaci podle účelu.

Napájení

Účel výkonového transformátoru je jasný již z názvu. Termín výkon se vztahuje na řadu modelů, obvykle s vysokým výkonem, používaných k přeměně elektrické energie v elektrických vedeních a v různých servisních instalacích.

Při transformaci jsou zachovány frekvence střídavého proudu, takže je možné zapojovat výkonové transformátory do skupin pro provoz ve vysokonapěťových třífázových sítích.

Napájecí zařízení lze zapojit do skupin s různými vzory zapojení vinutí: hvězdička, trojúhelník nebo klikatá. Schéma s hvězdičkou je opodstatněné, pokud je zatížení symetrické v třífázových sítích. Jinak se dává přednost trojúhelníku. Při tomto způsobu připojení proudy primárního vinutí samostatně magnetizují každý magnetický obvod jádra.

Potom se jednofázový odpor přiblíží vypočtenému a napěťová nerovnováha bude odstraněna.

Autotransformátory

Skupina zařízení, ve kterých primární a sekundární vinutí tvoří elektrické spojení díky jejich přímému vzájemnému spojení, se nazývá autotransformátory. Charakteristickým rysem této skupiny je několik párů pinů, ke kterým můžete připojit zátěž.

Vinutí autotransformátorů mají nejen magnetické, ale i elektrické zapojení. Našly uplatnění ve spojeních uzemněných sítí pracujících pod napětím vyšším než 110 kV, ale při nízkých transformačních poměrech – ne více než 3 – 4.

Primární vinutí můžete zapojit do série v elektrickém obvodu s jinými zařízeními a získat tak galvanické oddělení. Taková zařízení se nazývají proudové transformátory. Primární okruh takových zařízení je řízen změnou jednofázové zátěže a sekundární cívka se používá v obvodech měřicích přístrojů nebo alarmů. Druhým názvem pro přístroje jsou přístrojové transformátory.

Charakteristickým rysem činnosti přístrojových transformátorů je speciální režim výstupního vinutí. Pracuje v režimu kritického zkratu. Při přerušení sekundárního obvodu v něm dochází k prudkému nárůstu napětí, což může způsobit poruchy nebo poškození izolace.

Napětí

Typickou aplikací je izolace logických obvodů vysokonapěťové ochrany pro měřicí přístroje. Napěťový transformátor je zařízení snižující napětí, které převádí vysoké napětí na nižší napětí.

Puls

Moderní elektronika používá vysokofrekvenční signály, které je často nutné oddělit od ostatních signálů.
Úkolem pulzních transformátorů je převádět pulzní signály při zachování tvaru pulzu.

U vysokofrekvenčních pulzních zařízení jsou kladeny požadavky na maximální zachování tvaru pulzu na výstupu. Důležitá je forma, ne amplituda a dokonce ani znaménko.

Svařování

Při provozu svářečky je důležitý velký svařovací proud. Současně se sníží síťové napětí na bezpečnou úroveň. Díky silnému elektrickému proudu se obloukovým výbojem svářečky taví kov.

Svařovací transformátor má možnost stupňovité regulace proudu v sekundárních obvodech změnou indukčního odporu, nebo dělením jednoho z vinutí.

Fotografie zařízení je na obrázku 6. Věnujte pozornost přítomnosti spínacího spínače.

Rýže. 6. Transformátor pro poloautomatické svařování na pancéřovaném magnetickém obvodu

Svařovací stroje používají konstrukce založené na jednofázových transformátorech a také používají třífázové transformátory. Pro svařování některých kovů, např. nerezové oceli, je svařovací proud usměrněn.

Dělení

Zařízení, ve kterých není elektrické spojení mezi vinutími, se nazývají dělicí transformátory. Zařízení pro oddělování energie se používají ke zlepšení bezpečnosti elektrických sítí. Další oblastí použití izolačních transformátorů je zajištění galvanického oddělení mezi jednotlivými uzly elektrických obvodů.

Vhodný

Tyto typy zařízení se používají k přizpůsobení odporu kaskád elektronických obvodů. Poskytují minimální zkreslení tvarů signálu a vytvářejí galvanickou izolaci mezi součástmi elektronických zařízení.

špičkové transformátory

Zařízení, která převádějí sinusové proudy na impulsní napětí. Polarita výstupních napětí se mění každých půl cyklu.

Vzduch a olej

Výkonové transformátory jsou suché (chlazené vzduchem) (viz obr. 7) a olejové (viz obr. 8).

Modely suchých výkonových transformátorů se nejčastěji používají pro převod síťového napětí, a to i v třífázových sítích.

Obrázek 7. Suchý třífázový transformátor

Při připojení zátěže se vinutí zahřejí, což hrozí zničením elektrické izolace. Proto v sítích s napětím nad 6 kV pracují olejem chlazená zařízení. Speciální transformátorový olej zvyšuje spolehlivost izolace, což je velmi důležité při vysokých výstupních výkonech.

Rýže. 8. Konstrukce průmyslového transformátoru chlazeného olejem

duální sytič

Konstrukčně je takovým zařízením transformátor s identickými cívkami. Cívky o stejném výkonu tvoří opačný indukční filtr. Účinnost zařízení je vyšší než účinnost škrticí klapky (při stejných rozměrech).

rotující

Používají se k výměně signálů s rotujícími bubny. Konstrukčně se skládají ze dvou polovin magnetického obvodu s cívkami. Tyto části se vůči sobě otáčejí. K výměně signálu dochází při vysokých otáčkách.

Označení na schématech

Transformátory jsou jasně znázorněny v elektrických schématech. Symbolicky jsou znázorněna vinutí, která jsou oddělena magnetickým obvodem ve formě tlusté nebo tenké čáry (viz obr. 9).

Ve schématech třífázových transformátorů začínají vinutí ze strany jádra.

Aplikace

Kromě převodu napětí v elektrických sítích se transformátory často používají v napájecích zdrojích pro elektronická zařízení. Většinou se jedná o autotransformátory, které současně produkují několik napětí pro různé uzly.

Dnes se stále více používají beztransformátorové napájecí zdroje. Avšak tam, kde je vyžadováno napájení silným střídavým proudem, jsou elektromagnetická zařízení nepostradatelná.