Princip činnosti transformátoru

Transformátor je hlavním prvkem celého moderního energetického systému. V tomto článku budeme hovořit o konstrukci a typech transformátorů, principech činnosti a praktické aplikaci.

Co je to transformátor

Transformátor je speciální zařízení vynalezené k přeměně napětí a jeho přenosu na velké vzdálenosti bez změny frekvence proudu.

Transformátor je statické zařízení, protože nemá žádné pohyblivé části. Zařízení pracuje na střídavý proud a je založeno na principu elektromagnetické indukce.

Hlavní úkoly těchto zařízení jsou:

1. Přenos elektřiny na vzdálenosti.
2. Zajištění potřebného spínacího obvodu při převodu zařízení a přizpůsobení napětí na vstupu a výstupu zařízení.
3. Napájení v obvodech různých elektrických, domácích, televizních a rozhlasových zařízení.

Tato zařízení jsou široce používána ve všech oblastech a průmyslových odvětvích, a to:

• v energetice;
• v elektrotechnice;
• ve strojírenství;
• o dopravě.

Když se objevil, historie stvoření

Vytvoření prvního transformátoru je spojeno se jmény a vývojem vědců z různých zemí:

1. Anglický fyzik M. Faraday v roce 1831 objevil fenomén elektromagnetické indukce, který je základem činnosti elektrického transformátoru.
2. Němec G. Ruhmkorff v roce 1848 vynalezl indukční cívku, která je považována za prototyp transformátoru.
3. Ruský inženýr P. Jabločkov získal v roce 1876 patent na vynález zařízení, které se stalo prvním transformátorem střídavého proudu (šlo o zařízení s otevřeným jádrem).
4. Angličané D. a E. Hopkinsonovi (bratři) vytvořili v roce 1884 první transformátory s uzavřenými jádry.
5. D. Swinburne navrhl umístit zařízení do nádoby s olejem pro chlazení zařízení, což výrazně zvýšilo spolehlivost transformátoru (konec 1880. let XNUMX. století).
6. Systém třífázového střídavého proudu byl patentován ve Spojených státech v roce 1888 Nikolou Teslou.

Následný vývoj vědců z celého světa se zaměřil na zlepšení vlastností zařízení a snížení ztrát napětí v zařízení.

Konstrukce a princip činnosti transformátoru

Nejjednodušší transformátor se skládá ze dvou vinutí s izolovanými dráty, které jsou navinuty na ocelovém jádru skládajícím se z několika vrstev. Střídavý proud je přiváděn do jednoho z vinutí, které se nazývá primární. Druhý (sekundární) je připojen k zátěži.

Princip činnosti Elektrický transformátor je docela jednoduchý: když je k primárnímu vinutí připojen střídavý proud, kolem železné tyče, na které je navinut, se objeví magnetické pole. Vlivem elektromotorické síly indukce se při připojení sekundárního vinutí k zátěži přenáší proud.

Značení, dekódování hlavních parametrů

Všechny transformátory jsou označeny speciálními značkami, které umožňují určit typ zařízení, jeho provozní podmínky, jmenovitý výkon a napětí. Ruská a zahraniční zařízení jsou označena odlišně. V Ruské federaci se častěji používají zařízení vyrobená v souladu s GOST.

Informace o transformátoru jsou umístěny na kovovém štítku na těle zařízení, aplikovaném pomocí gravírování nebo embosování:

• název závodu, kde bylo zařízení vyrobeno;
• Rok manufaktury;
• tovární číslo;
• číslo normy, které zařízení odpovídá;
• indikátor jmenovitého výkonu (u třífázových transformátorů je uveden pro každé vinutí);
• indikátor jmenovitého proudu (pro všechna vinutí);
• počet fází;
• aktuální frekvence;
• schéma zapojení vinutí;
• požadavky na instalaci – vnitřní nebo venkovní;
• způsob chlazení;
• další informace, v závislosti na typu chlazení zařízení.

Typy transformátorů podle typu magnetického obvodu

Magnetické jádro je zařízení, které zesiluje magnetické toky vznikající elektrickým proudem ve vinutích transformátorů.

Magnetická jádra (jádra) jsou nedílnou součástí různých elektrických zařízení: tlumivek, relé atd.

V moderním světě existují různé konstrukce transformátorů vytvořených pro specifické účely a přenášejících napětí různých výkonů.

Podle typu jader jsou zařízení:

• tyčový typ (obvykle používaný pro třífázové transformátory);
• typ pancéřování (pro třífázová zařízení);
• toroidního typu (používá se v transformátorech umístěných v různých elektrických zařízeních).

В jádro Tento typ využívá vertikální jádra se stupňovitým průřezem, která tvoří kruh s vodorovnými třmeny (část jader bez vinutí). Vinutí v takových magnetických jádrech jsou umístěna na vertikálních prvcích. Základním systémem je uzavřený okruh.

В obrněný typu, jádra mají obdélníkový průřez a jsou umístěna ve vodorovné poloze. Vinutí jsou také vyrobena v obdélníkovém tvaru. Tento design je poměrně složitý na výrobu, takže se používá zřídka, na speciálních typech zařízení.

В toroidní (kroužek) typ použijte prstencové pásky. Používají se k vytváření jednofázových výkonových transformátorů. Jádra jsou vyrobena z elektrooceli o tloušťce 0,3 a 0,35 mm, vyrobené speciální technologií. Materiálem pro toroidní magnetická jádra je ferit nebo karbonylové železo. Taková jádra jsou široce používána v rádiové elektronice.

Konstrukce magnetických jader se liší způsobem připojení jader k části jader, která nemá vinutí.

• В zadek připojení, části magnetických obvodů jsou sestaveny samostatně. Nejprve se na vertikální jádra nainstalují vinutí, poté se pomocí kolíků připojí k horním třmenům. Spodní horizontální třmen je namontován. V tomto provedení můžete snadno měnit vinutí.
• В smíšené Po spojení jsou tyče a třmeny vrstvené desky. Díly se spojují vložením prvků do sebe v prostorech mezi vrstvami jádra. Tento design je obtížnější sestavit.

Klasifikace transformátorů

• step-up (pokud je napětí na sekundárním vinutí větší než na primárním);
• step-down (pokud je napětí na druhé cívce menší než na první).

Napětí na primární a výstupní cívce závisí na poměru počtu závitů vinutí na nich. Čím více jich je, tím vyšší je napětí. Pokud má tedy vstupní vinutí více závitů než výstupní vinutí, bude mít vyšší napětí a naopak.

Transformátory mají širokou klasifikaci podle jejich účelu:

1. Napájení. Účel výkonových transformátorů je jasný již z názvu. Jedná se především o vysoce výkonná zařízení používaná v elektrických přenosových vedeních k přeměně elektrické energie a jejímu přenosu ke konečnému spotřebiteli. Použití takových zařízení je možné ve vysokonapěťových třífázových sítích.
2. Autotransformátor. Jedná se o zařízení, ve kterém jsou primární a sekundární vinutí přímo navzájem spojeny. Toto zařízení se vyznačuje třemi svorkami. Transformátory tohoto typu mají zvýšené riziko vysokonapěťového šoku do zátěže. Proto musí být spolehlivě uzemněny.
3. Transformátor napětí nebo měření transformátor. U takových zařízení je primární vinutí zapojeno sériově do elektrického obvodu s jinými zařízeními a je galvanicky odděleno. Primární okruh je řízen změnou jednofázové zátěže a sekundární cívka se používá v poplachovém nebo přístrojovém obvodu. U tohoto typu zařízení sekundární vinutí pracuje v režimu zkratu.
4. Napěťový transformátor. Jedná se o zařízení snižující napětí. Obvykle se používá k izolaci ochranných obvodů pro měřicí přístroje.
5. Puls. Jedná se o zařízení určené k převodu impulsů při zachování jejich tvaru. Zařízení mění amplitudu a polaritu pulzních signálů bez ovlivnění tvaru.
6. Svařování. Pro provoz takového zařízení potřebujete vysoký svařovací proud, kterým zařízení taví kov. Síťové napětí je sníženo na bezpečnou úroveň.
7. Oddělení. Hlavní charakteristikou takového zařízení je absence elektrického spojení mezi obvody. Zařízení pro oddělování energie se používají ke zlepšení bezpečnosti elektrických sítí a k zajištění galvanického oddělení mezi uzly elektrického obvodu.
8. Koordinátor. Takové zařízení se používá k přizpůsobení odporu v elektronických obvodech. Zařízení poskytuje minimální zkreslení signálu a vytváří izolaci mezi uzly zařízení v elektrickém obvodu.
9. Špičkový transformátor. Zařízení převádí sinusový proud na pulzní napětí. Polarita výstupního napětí se mění každých půl cyklu.
10. Vzduch. Jedná se o suchý chladicí výkonový transformátor. Tento typ zařízení se obvykle používá k převodu napětí v síti, včetně třífázových obvodů.
11. Mastný. Jedná se o výkonový transformátor, ve kterém dochází k chlazení pomocí speciálního oleje. Taková zařízení se používají při vysokém výstupním výkonu (nad 6 kV), aby se zabránilo zničení izolace vinutí v důsledku přehřátí.
12. Dvojitý plyn. Zařízení má naprosto identické cívky, mezi kterými je vytvořen protiindukční filtr. Toto zařízení je účinnější než škrticí klapka.
13. Rotující. Zařízení se skládá ze dvou polovin jádra s cívkami, které se vůči sobě otáčejí. Výměna signálu v zařízení probíhá při vysokých otáčkách.

Provozní režimy transformátoru

Existují 3 hlavní provozní režimy transformátorů:

1. Režim nečinnosti, ve kterém jsou svorky sekundárního vinutí otevřené a zátěžový odpor je roven nekonečnu. Měření proudu, který protéká primárním vinutím, umožňuje vypočítat účinnost transformátoru. Když transformátor pracuje v tomto režimu, lze vypočítat transformační poměr a ztráty v jádře.
2. Pracovní režim nebo režim zatížení – jedná se o režim, ve kterém sekundární obvod přijímá napětí, proud a odpor z primárního.
3. Režim zkratu – jedná se o režim, ve kterém jsou konce sekundárního vinutí zkratovány, výkon je soustředěn v obvodech vinutí a zatěžovací odpor je nulový. V tomto stavu je možné určit ztráty, které jsou vynaloženy na ohřev vinutí.

Stojíte před obtížným tématem? Není třeba panikařit! Kvalifikovaní odborníci Phoenix.Help jsou připraveni pomoci v krátké době v různých oborech.

S objevem a začátkem průmyslového využití elektřiny vyvstala potřeba vytvořit systémy pro její přeměnu a dodávku spotřebitelům. Tak se objevily transformátory, jejichž princip fungování bude diskutován.

Jejich objevení před téměř 200 lety předcházel objev fenoménu elektromagnetické indukce velkým anglickým fyzikem Michaelem Faradayem. Později se svým americkým kolegou D. Henrym nakreslili schéma budoucího transformátoru.

K prvnímu ztělesnění myšlenky v železe došlo v roce 1848 vytvořením indukční cívky francouzským mechanikem G. Ruhmkorffem. Svůj příspěvek poskytli i ruští vědci. V roce 1872 profesor Moskevské univerzity A.G. Stoletov objevil hysterezní smyčku a popsal strukturu feromagnetu a o 4 roky později získal vynikající ruský vynálezce P.N. Jabločkov patent na vynález prvního transformátoru střídavého proudu.

Jak funguje transformátor a jak funguje

Transformátory jsou název obrovské „rodiny“, která zahrnuje jednofázové, třífázové, snižující, zvyšovací, měřicí a mnoho dalších typů transformátorů. Jejich hlavním účelem je převádět jedno nebo více střídavých napětí na jiné na základě elektromagnetické indukce s konstantní frekvencí.

Stručně tedy, jak funguje nejjednodušší jednofázový transformátor. Skládá se ze tří hlavních prvků – primárního a sekundárního vinutí a magnetického obvodu, který je spojuje do jediného celku, na kterém jsou jakoby navlečeny. Zdroj je připojen výhradně k primárnímu vinutí, zatímco sekundární vinutí odebírá a přenáší již změněné napětí ke spotřebiteli.

Princip činnosti transformátoru

Primární vinutí připojené k síti vytváří v magnetickém obvodu střídavé elektromagnetické pole a vytváří magnetický tok, který začíná cirkulovat mezi vinutími a vyvolává v nich elektromotorickou sílu (EMF). Jeho hodnota závisí na počtu závitů ve vinutí. Například pro snížení napětí je nutné, aby v primárním vinutí bylo více závitů než v sekundárním. Na tomto principu fungují snižovací a zvyšující transformátory.

Důležitým rysem konstrukce transformátoru je, že magnetické jádro má ocelovou konstrukci a vinutí, obvykle válcového tvaru, jsou od ní izolována, nejsou přímo spojena a mají své vlastní označení.

Napěťové transformátory

Toto je možná nejpočetnější typ rodiny transformátorů. Stručně řečeno, jejich hlavní funkcí je zpřístupnit energii vyrobenou v elektrárnách pro spotřebu různými zařízeními. K tomuto účelu slouží přenosový systém skládající se z náběhových a útlumových trafostanic a silových vedení.

Nejprve je elektřina vyrobená elektrárnou dodávána do zvyšovací transformovny (například od 12 do 500 kV). To je nezbytné, aby se kompenzovaly nevyhnutelné ztráty elektřiny při přenosu na velké vzdálenosti.

Dalším stupněm je snižovací rozvodna, odkud je elektřina přiváděna nízkonapěťovým vedením do snižovacího transformátoru a dále ke spotřebiči ve formě napětí 220 V.

Tím ale práce transformátorů nekončí. Většina domácích elektrospotřebičů kolem nás – PC, televize, tiskárny, automatické pračky, ledničky, mikrovlnné trouby, DVD a dokonce i úsporné žárovky mají snižovací transformátory. Příkladem individuálního „kapesního“ transformátoru je nabíječka mobilního telefonu (smartphonu).

Obrovská rozmanitost moderních elektronických zařízení a funkcí, které vykonávají, odpovídají mnoha různým typům transformátorů. Toto není jejich úplný seznam: výkonové, pulzní, svařovací, oddělovací, přizpůsobovací, rotační, třífázové, špičkové transformátory, proudové transformátory, toroidní, tyčové a pancéřové.

Co jsou zač, transformátory budoucnosti?

Transformátorový průmysl je považován za značně konzervativní. Přesto musí počítat i s převratnými změnami v oblasti elektrotechniky, kde o sobě nanotechnologie dávají vědět stále hlasitěji. Stejně jako mnoho dalších zařízení jsou postupně chytřejší.

Probíhá aktivní hledání nových konstrukčních materiálů – izolačních a magnetických – které mohou zajistit vyšší spolehlivost transformátorových zařízení. Jedním směrem by mohlo být použití amorfních materiálů, které výrazně zvýší jeho požární bezpečnost a spolehlivost.

Objeví se nevýbušné a ohnivzdorné transformátory, ve kterých budou chlorované bifenyly, používané k impregnaci elektroizolačních materiálů, nahrazeny netoxickými kapalnými, ekologickými dielektriky.

Příkladem toho jsou výkonové transformátory SF6, kde funkci chladiva plní místo zdaleka bezpečného transformátorového oleje nehořlavý plyn SF6, fluorid sírový.

Je otázkou času vytvořit „chytré“ energetické sítě vybavené polovodičovými polovodičovými transformátory s elektronickým řízením, s jejichž pomocí bude možné regulovat napětí v závislosti na potřebách spotřebitelů, zejména připojovat obnovitelné a průmyslové zdroje energie do domácí sítě, nebo naopak nepotřebné vypnout, když nejsou nutné.

Další perspektivní oblastí jsou nízkoteplotní supravodivé transformátory. Práce na jejich vytvoření začaly již v 60. letech. Hlavním problémem, kterému vědci čelí, je obrovská velikost kryogenních systémů potřebných k výrobě kapalného hélia. Vše se změnilo v roce 1986, kdy byly objeveny vysokoteplotní supravodivé materiály. Díky nim bylo možné opustit objemná chladicí zařízení.

Transformátor s polovodičovým měničem

Supravodivé transformátory mají jedinečnou kvalitu: při vysokých proudových hustotách jsou ztráty v nich minimální, ale když proud dosáhne kritických hodnot, odpor od nulové úrovně prudce vzroste.

Líbil se vám příspěvek? Chcete něco říct? Připojit se: