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 Pн=Uн× Iнa výkon primární cívky Pс=Uс× Iс. Ideálně Pн = Pс (Pokud zanedbáme ztráty v jádře). Potom k = Uс / Uн = Iс / Iн 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.
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.
