transformátor nazývané statické elektromagnetické zařízení, které má dvě (nebo více) indukčně vázaná vinutí a je navrženo k přeměně jednoho (primárního) systému střídavého proudu na jiný (sekundární) systém střídavého proudu prostřednictvím jevu elektromagnetické indukce.
V obecném případě se sekundární AC systém může lišit od primárního v libovolných parametrech: hodnoty napětí a proudu, počet fází, průběh napětí (proudu), frekvence. Největší uplatnění v elektroinstalacích, ale i v energetických přenosových a distribučních soustavách elektřiny mají výkonové transformátory obecného použití, pomocí kterých se mění hodnoty střídavého napětí a proudu. V tomto případě zůstává nezměněn počet fází, tvar křivky napětí (proudu) a frekvence.
Při zvažování problematiky této přednášky budeme mít na paměti výkonové transformátory pro všeobecné použití.
Zvažte princip fungování nejjednoduššího jednofázového transformátoru. Nejjednodušší jednofázový výkonový transformátor se skládá z magnetického obvodu (jádra) z feromagnetického materiálu (obvykle plechové elektrooceli) a dvou vinutí umístěných na jádrech magnetického obvodu.
Proč je magnetické jádro transformátoru vyrobeno z feromagnetického materiálu?
Jedno z vinutí, které je tzv primární, připojený ke zdroji střídavého proudu pro napětí U1. K dalšímu vinutí tzv sekundární připojený spotřebič Zн. Primární a sekundární vinutí transformátoru nejsou vzájemně elektricky propojeny a výkon z jednoho vinutí do druhého je přenášen elektromagneticky.
Jaký je účel jádra transformátoru?
Magnetické jádro, na kterém jsou tato vinutí umístěna, slouží ke zlepšení indukční vazby mezi vinutími.
Činnost transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce (obr. 2).
Rýže. 2. Elektromagnetický obvod transformátoru
Při připojení primárního vinutí transformátoru na střídavou síť s napětím U1 vinutím bude protékat střídavý proud i1, který vytvoří proměnný magnetický tok v magnetickém obvodu Ф. V něm se indukuje magnetický tok, pronikající do závitů sekundárního vinutí е2, které lze použít k napájení zátěže. Uzavřením magnetického obvodu se tento tok spojí s oběma vinutími (primárním a sekundárním) a indukuje v nich EMF:
V primárním EMF samoindukce:
V sekundárním EMF vzájemné indukce:
Při připojení zátěže Zn na svorky sekundárního vinutí transformátoru při působení EMF е2 v obvodu tohoto vinutí vzniká proud i2, a napětí U je nastaveno na svorkách sekundárního vinutí2.
Může transformátor běžet na stejnosměrný proud?
Transformátor je zařízení na střídavý proud. Pokud je jeho primární vinutí připojeno ke zdroji stejnosměrného proudu, pak bude magnetický tok v magnetickém obvodu transformátoru konstantní jak ve velikosti, tak ve směru (dФ / dt u0d XNUMX), proto EMF elektromagnetické indukce nebude indukované ve vinutí transformátoru, a proto nebude elektřina z primárního okruhu převedena do sekundárního.
Jak se řeší problém změny napětí, např. jeho zvýšení, na sekundárním vinutí transformátoru?
Problém zvýšení napětí je vyřešen následovně. Jakýkoli závit vinutí transformátoru má stejné napětí, pokud se počet závitů na sekundárním vinutí zvýší oproti primárnímu vinutí, pak závity jsou zapojeny do série, napětí přijaté na každém závitu se sečte. Proto je možné zvýšením nebo snížením počtu závitů zvýšit nebo snížit napětí na výstupu transformátoru.
Protože primární a sekundární vinutí transformátoru jsou proraženy stejným magnetickým tokem Ф, výrazy pro efektivní hodnoty EMF lze zapsat jako
kde f – frekvence střídavého proudu; w1 и w2 – počet závitů primárního a sekundárního vinutí.
Vydělením jedné rovnosti druhou získáme důležitý parametr transformátoru – transformační poměr:
kde k – transformační koeficient.
Pokud je obvod sekundárního vinutí transformátoru otevřený (nečinný), pak se napětí na svorkách vinutí rovná jeho EMF: U2 = E2, a napájecí napětí je téměř zcela vyváženo EMF primárního vinutí U1 ≈ E1. Proto se to dá napsat
Vzhledem k vysoké účinnosti transformátoru lze předpokládat, že S1 ≈ S2Kde S1=U1I1 — spotřeba energie ze sítě; S2 = U2I2 je výkon dodávaný do zátěže.
To znamená, že U1 I1≈ U2I2, odkud
Poměr proudů sekundárního a primárního vinutí se přibližně rovná transformačnímu poměru, tedy proudu I2 kolikrát se zvýší (sníží), kolikrát se sníží (zvětší) U2.
u stupňovitých transformátorů U2>U1, ve snižování U2 U1. Transformátory mají vlastnost reverzibility, stejný transformátor lze použít jako zvyšovací i klesající transformátor. Ale obvykle má transformátor specifický účel: buď je to zvýšení nebo snížení. Vinutí transformátoru připojené k síti s vyšším napětím se nazývá vysokonapěťové vinutí (HV); vinutí připojené k síti nižšího napětí se nazývá vinutí nízkého napětí (LV).
Proč se při přenosu energie používá vysoké napětí?
Odpověď je jednoduchá – snížit tepelné ztráty vodičů při přenosu na velké vzdálenosti. Ztráty závisí na velikosti protékajícího proudu a průměru vodiče, nikoli na použitém napětí.
Předpokládejme, že z elektrárny do města, které se nachází ve vzdálenosti 100 km od ní, je potřeba přenést elektřinu 30 MW po jednom vedení. Vzhledem k tomu, že vodiče vedení mají elektrický odpor, proud je zahřívá. Toto teplo se odvádí a nelze jej využít. Energie vynaložená na vytápění je ztrátová.
Snížit ztráty na nulu je nemožné. Ale je třeba je omezit. Proto se přípustné ztráty normalizují, tzn. při výpočtu průřezů vodičů vedení a výběru jeho napětí se předpokládá, že ztráty nepřekročí např. 10 % užitečného výkonu přenášeného vedením.
V našem příkladu je to 0,1 × 30 MW = 3 MW.
Pokud se neuplatní transformace, to znamená, že se elektřina přenese na napětí 220 V, pak by se pro snížení ztrát na danou hodnotu musel zvětšit průřez vodičů na cca 10 m2. Průměr takového “drátu” přesahuje 3 m a hmotnost v rozpětí je stovky tun.
Aplikováním transformace, to znamená zvýšením napětí ve vedení, a poté jeho snížením v blízkosti umístění spotřebitelů, používají jiný způsob, jak snížit ztráty: snižují proud ve vedení.
Jaký je vztah mezi činným výkonem a proudem?
Ztráty při přenosu elektřiny jsou úměrné druhé mocnině síly proudu.
Když se napětí zdvojnásobí, proud se sníží na polovinu a ztráty se sníží 4krát. Pokud se napětí zvýší 100krát, ztráty se sníží o 100 2, tj. 10 000krát.
Tento výraz ilustrujeme na následujícím příkladu. Na obrázku je schéma přenosu energie (obr. 3). Na primární vinutí zvyšovacího transformátoru je připojen generátor se svorkovým napětím 6,3 kV. Napětí na koncích sekundárního vinutí je 110 kV.
Rýže. 3. Schéma přenosu energie:
1 – generátor; 2 – zvyšovací transformátor; 3 – elektrické vedení;
4 – snižovací transformátor; 5 – spotřebitel
Při tomto napětí se energie přenáší po přenosovém vedení. Nechť je přenášený výkon 10 000 kW, nedochází k fázovému posunu mezi proudem a napětím.
Protože výkony v obou vinutích jsou stejné, proud v primárním vinutí je roven I u10000d P / U u6,3d 1590 / 10000 u110d 91 A a v sekundárním vinutí XNUMX XNUMX/XNUMX uXNUMXd XNUMX A. proud ve vedení bude mít stejnou hodnotu přenosu.
Princip činnosti transformátoru lze demonstrovat na následujícím vzdělávacím filmu: “Princip činnosti snižovacího transformátoru”, “Ohřev vody pomocí transformátoru.”
Pojďme si sjednotit probíranou látku zodpovězením následujících otázek.
Princip činnosti transformátoru je založen na .
zákon elektromagnetické indukce
Je-li počet závitů primárního vinutí transformátoru w1=100 a počet závitů sekundárního vinutí w2=20, určete transformační poměr.
K odpovědi není dostatek údajů.
Efektivní hodnota EMF indukovaného ve vinutí transformátoru je určena vzorcem
Závěr k první otázce: Princip činnosti transformátoru je založen na jevu elektromagnetické indukce, proto je transformátor zařízení na střídavý proud. Přeměna napětí v transformátoru se provádí změnou počtu závitů v sekundárním vinutí. Hlavním účelem transformátoru je přeměnit elektřinu jednoho napětí na elektřinu jiného napětí za účelem snížení kapitálových investic do výstavby a provozu elektrických vedení.
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.
