V energetice se využívají primární zdroje vysokého střídavého napětí, ale v běžném životě nebo v podnicích je nutné jej výrazně omezit. K tomuto účelu se používají transformátory. Pro úplné pochopení a kompetentní použití napětí v každodenním životě je nutné znát princip fungování jednofázového transformátoru.
Obsah
- Obecné informace o transformátorech
- Účel a zařízení
- Princip
- Provozní režimy
- Základní parametry
Obecné informace o transformátorech
Je mnohem snazší přenášet střídavý proud na velké vzdálenosti, protože díky hodnotám napětí (U) a proudu (I) je dosaženo minimálních ztrát. K přenosu nikoli střídavého, ale konstantního I je navíc nutné použít složitou elektroniku, která je založena na zesilování parametrů elektřiny. Hlavní částí této technologie jsou výkonné tranzistory, které vyžadují speciální chlazení, přičemž hlavním kritériem je cena. Nejlepším řešením je použití transformátorů, které pracují pouze s proměnným proudem.
Účel a zařízení
Transformátor (T) je specializované elektrické zařízení, které pracuje pouze s proměnnou I a používá se k převodu vstupních hodnot U a I na požadované hodnoty těchto veličin poskytovaných spotřebitelem.
T je poměrně primitivní zařízení, ale v jeho designu jsou některé funkce. Abychom pochopili princip fungování jednofázového transformátoru, měli bychom studovat jeho účel a zařízení. Jednofázový transformátor je uspořádán následovně – skládá se z magnetického obvodu a vinutí.
Magnetický obvod neboli jádro transformátoru je vyrobeno z feromagnetického materiálu.
Feromagnetika jsou látky, které mají spontánní magnetizaci. To je způsobeno tím, že atomy hmoty mají velmi důležité vlastnosti: konstantní spin a orbitální momenty. Vlastnosti feromagnetik závisí na teplotě a působení magnetického pole. Pro výrobu magnetického obvodu T se používají následující materiály: elektrotechnická ocel nebo permalloy.
Elektroocel obsahuje velký hmotnostní zlomek křemíku (Si), který se působením vysoké teploty slučuje s atomy uhlíku ©. Tento typ se používá u všech typů T bez ohledu na výkon.
Permalloy je slitina skládající se z niklu (Ni) a železa (Fe) a používá se pouze v transformátorech s nízkým výkonem.
Typ T je cívka skládající se z rámu a drátu pokrytého izolačním materiálem. Tento drát je navinut kolem základny cívek a počet závitů závisí na parametrech T. Počet cívek může být 2 nebo více, závisí na konstrukčních vlastnostech elektrického zařízení a je určena rozsahem.
Princip
Princip činnosti jednofázového transformátoru je poměrně jednoduchý a je založen na generování elektromotorické síly (EMF) ve vinutí vodiče, který je v pohybujícím se magnetickém poli a generuje se pomocí proměnné I. Při průchodu el. vinutí primární cívky vzniká magnetický tok (F), který prostupuje i sekundární cívku. Siločáry Ф v důsledku uzavřené konstrukce magnetického obvodu mají uzavřenou strukturu. Pro získání optimálního výkonu T je nutné umístit cívky vinutí v těsné vzájemné vzdálenosti.
Na základě zákona elektromagnetické indukce dochází ke změně F a je indukována v primárním vinutí EMF. Tato hodnota se nazývá EMF vlastní indukce a sekundární – EMF vzájemné indukce.
Při připojení spotřebiče k primárnímu vinutí T se v obvodu objeví elektrická energie, která je přenášena z primárního vinutí přes magnetický obvod (cívky nejsou galvanicky spojeny). V tomto případě slouží jako prostředek pro přenos elektřiny pouze F. Transformátory se liší v konstrukčních vlastnostech. Po dosažení maximální magnetické vazby (MC) se T dělí na následující typy:
Při slabé MR dochází k výrazné ztrátě energie a T tohoto typu se prakticky nepoužívá. Hlavním rysem takových T jsou otevřená jádra.
Průměrná úroveň MC je dosažena pouze se zcela uzavřeným magnetickým obvodem. Jedním z příkladů takového T je tyčový typ, ve kterém jsou vinutí umístěna na železných tyčích a jsou vzájemně propojena skluzy nebo třmeny. V důsledku tohoto návrhu je získáno zcela uzavřené jádro.
Příkladem silného MC je pancíř typu T, jehož vinutí jsou umístěna na jedné nebo více cívkách. Tato vinutí jsou umístěna velmi blízko, díky čemuž je zajištěna minimální ztráta elektrické energie. Magnetický obvod zcela zakrývá cívky, čímž vzniká silnější Ф, která je rozdělena na 2 části. U transformátorů tohoto typu jsou vazební toky mezi vinutími téměř stejné.
Provozní režimy
T, jako každý sekundární zdroj energie, má určité režimy provozu. Režimy se liší spotřebou I. Existují 2 režimy: volnoběh a zatížení. Při volnoběhu T spotřebuje minimální množství I, které se využívá pouze pro magnetizaci a ztráty ve vinutích pro ohřev. Navíc je magnetické pole rozptýleno. Ф je vytvořeno I magnetomotorické síly, která je generována primárním vinutím. V tomto případě je I volnoběh 3-10 % nominální hodnoty (In).
Při zatížení se ve vinutí II objeví I, a tedy magnetomotorická síla (MMF). Podle Lenzova zákona: MMF vinutí II působí proti MMF primárního vinutí. V tomto případě je EMF v primárním vinutí během zatížení T rovno U a je přímo úměrné F. V tomto případě lze získání k zapsat jako: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.
Na základě vzorců pro výpočet k lze získat ještě jeden vztah T: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.
Tento poměr ukazuje, že výkon spotřebovaný primárním vinutím se rovná výkonu spotřebovanému druhým vinutím při zatížení. Výkon T se měří ve voltampérech (VA).
Základní parametry
Kromě toho je třeba poznamenat, že jakýkoli T má některé parametry, které se liší od ostatních transformátorů. Kromě toho, pokud rozumíte těmto závislostem, můžete vypočítat a vytvořit T vlastníma rukama.
Vztah mezi EMF, který se vyskytuje ve vinutích T, závisí na počtu závitů každého z nich. Na základě skutečnosti, že vinutí I a II jsou proražena stejným Ф, je možné vypočítat následující vztah založený na obecném zákonu indukce pro okamžité hodnoty EMF:
Poměr dФ/dt ukazuje velikost změny Ф za jednotku času. Hodnota toku F závisí na zákonu změny střídavého proudu za jednotku času. Na základě těchto výrazů se získá následující vzorec pro poměr počtu závitů k EMF každého vinutí:
Z toho lze vyvodit následující závěr: hodnoty EMF indukované ve vinutích také spolu souvisí, stejně jako počet závitů vinutí. Pro jednodušší zápis můžete porovnat hodnoty e a U: e u1d U. Z toho vyplývá, že e1 u2d U2 e1 u2d U1 a je možné získat další hodnotu zvanou transformační poměr (k): e2 / e1 u2d UXNUMX / UXNUMX uXNUMXd wXNUMX / wXNUMX = k. Podle transformačního poměru se T dělí na snižovací a zvyšující.
Snížení je T, jehož k je menší než 1, a pokud tedy k > 1, pak se zvyšuje. Při absenci ztrát ve vodičích vinutí a ztrátě F (jsou nevýznamné a lze je zanedbat) je poměrně jednoduché vypočítat hlavní parametr T (k). Chcete-li to provést, musíte použít následující jednoduchý algoritmus pro nalezení k: zjistěte poměr U vinutí (pokud existuje více než 2 vinutí, pak je třeba hledat poměr pro všechna vinutí).
Výpočet k je však pouze prvním krokem pro další výpočet nebo řešení problémů se zkratovanými zatáčkami.
K určení hodnot U je nutné použít 2 voltmetry, jejichž přesnost je asi 0,2-0,5. Kromě toho k určení k existují tyto způsoby:
- Podle pasu.
- Prakticky.
- Použití určitého mostu (Sharing bridge).
- Zařízení k tomu určené (UIKT).
Princip činnosti jednofázového transformátoru je tedy založen na jednoduchém fyzikálním zákonu, a to: pokud je vodič s n počtem závitů umístěn v magnetickém poli a toto pole se musí v průběhu času neustále měnit, pak EMF budou generovány v zatáčkách. V tomto případě platí i opačné tvrzení: pokud je vodič umístěn v konstantním magnetickém poli a pohybuje se, pak se v jeho vinutí začíná objevovat EMF.
