Transformátor je elektromagnetické zariadenie používané na premenu striedavého prúdu s jedným napätím a frekvenciou na striedavý prúd s iným (alebo rovnakým) napätím a rovnakou frekvenciou.
Obsah
Zariadenie a činnosť transformátora
V najjednoduchšom prípade transformátor obsahuje jedno primárne vinutie s počtom závitov W1 a jeden sekundárny s počtom závitov W2. Energia sa dodáva do primárneho vinutia, záťaž je pripojená k sekundárnemu. Prenos energie sa uskutočňuje elektromagnetickou indukciou. Na zlepšenie elektromagnetickej väzby sú vo väčšine prípadov vinutia umiestnené na uzavretom jadre (magnetický obvod).
Ak je na primárne vinutie privedené striedavé napätie U1, potom striedavý prúd I1, ktorý vytvára v jadre magnetický tok Ф rovnakej formy.Tento magnetický tok indukuje EMF v sekundárnom vinutí. Ak je k sekundárnemu okruhu pripojená záťaž, sekundárny prúd I2.
Napätie v sekundárnom vinutí je určené pomerom závitov W1 a W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, kde k je transformačný pomer.
Ak k<1, potom U2>U1, a takýto transformátor sa nazýva step-up. Ak k > 1, potom U2<U1, taký transformátor sa nazýva step down. Pretože výstupný výkon transformátora sa rovná vstupnému výkonu (mínus straty v samotnom transformátore), môžeme povedať, že Pout \u003d Pin, U1*Ja1=U2*Ja2 a ja2= ja1*k=I1*(W1/W2). V bezstratovom transformátore je teda vstupné a výstupné napätie priamo úmerné pomeru závitov vinutia. A prúdy sú nepriamo úmerné tomuto pomeru.
Transformátor môže mať viac ako jedno sekundárne vinutie s rôznymi pomermi. Transformátor na napájanie svietidiel pre domácnosť z 220 voltovej siete teda môže mať jedno sekundárne vinutie, napríklad 500 voltov na napájanie anódových obvodov a 6 voltov na napájanie žhaviacich obvodov. V prvom prípade k<1, v druhom - k>1.
Transformátor pracuje iba so striedavým napätím - pre výskyt EMF v sekundárnom vinutí sa musí zmeniť magnetický tok.
Typy jadier pre transformátory
V praxi sa používajú jadrá nielen uvedeného tvaru. V závislosti od účelu zariadenia môžu byť magnetické obvody vykonávané rôznymi spôsobmi.
Tyčové jadrá
Magnetické obvody nízkofrekvenčných transformátorov sú vyrobené z ocele s výraznými magnetickými vlastnosťami.Na zníženie vírivých prúdov je jadro zostavené zo samostatných dosiek, ktoré sú od seba elektricky izolované. Na prácu pri vysokých frekvenciách sa používajú iné materiály, napríklad ferity.
Vyššie uvedené jadro sa nazýva jadro a pozostáva z dvoch tyčí. Pre jednofázové transformátory sa používajú aj trojtyčové magnetické obvody. Majú menší magnetický únikový tok a vyššiu účinnosť. V tomto prípade sú primárne aj sekundárne vinutia umiestnené na centrálnej tyči jadra.
Trojfázové transformátory sa vyrábajú aj na trojtyčových jadrách. Majú primárne a sekundárne vinutie každej fázy, každé je umiestnené na vlastnom jadre. V niektorých prípadoch sa používajú päťtyčové magnetické obvody. Ich vinutia sú umiestnené úplne rovnakým spôsobom - každý primárny a sekundárny na vlastnej tyči a dve krajné tyče na každej strane sú určené len na uzatváranie magnetických tokov v určitých režimoch.
obrnený
V pancierovom jadre sú vyrobené jednofázové transformátory - obe cievky sú umiestnené na centrálnom jadre magnetického obvodu. Magnetický tok v takomto jadre sa uzatvára podobne ako pri trojtyčovej konštrukcii – cez bočné steny. Únikový tok je v tomto prípade veľmi malý.
Medzi výhody tejto konštrukcie patrí určitý nárast veľkosti a hmotnosti v dôsledku možnosti hustejšieho plnenia okna jadra vinutím, preto je výhodné použiť pancierové jadrá na výrobu transformátorov s nízkym výkonom. To má za následok aj kratší magnetický obvod, čo vedie k zníženiu strát naprázdno.
Nevýhodou je ťažší prístup k vinutiam pri revízii a oprave, ako aj zvýšená náročnosť výroby izolácie pre vysoké napätie.
Toroidný
V toroidných jadrách je magnetický tok úplne uzavretý vo vnútri jadra a prakticky nedochádza k úniku magnetického toku. Takéto transformátory sa však ťažko navíjajú, takže sa používajú pomerne zriedka, napríklad v nízkovýkonových nastaviteľných autotransformátoroch alebo vo vysokofrekvenčných zariadeniach, kde je dôležitá odolnosť proti hluku.
Autotransformátor
V niektorých prípadoch je vhodné použiť také transformátory, ktoré majú nielen magnetické spojenie medzi vinutiami, ale aj elektrické. To znamená, že v zosilňovačoch je primárne vinutie súčasťou sekundárneho a v znižovacích zariadeniach je sekundárnou časťou primárneho vinutia. Takéto zariadenie sa nazýva autotransformátor (AT).
Znižovací autotransformátor nie je jednoduchý delič napätia - magnetická väzba sa podieľa aj na prenose energie do sekundárneho okruhu.
Výhody autotransformátorov sú:
- menšie straty;
- možnosť plynulej regulácie napätia;
- menšie ukazovatele hmotnosti a veľkosti (autotransformátor je lacnejší, ľahšie sa prepravuje);
- nižšie náklady vďaka menšiemu požadovanému množstvu materiálu.
K nevýhodám patrí nutnosť použitia izolácie oboch vinutí, určených pre vyššie napätie, ako aj chýbajúce galvanické oddelenie medzi vstupom a výstupom, čím sa môžu prenášať účinky atmosférických javov z primárneho okruhu na sekundárny. V tomto prípade nie je možné uzemniť prvky sekundárneho okruhu.Tiež nevýhoda AT sa považuje za zvýšené skratové prúdy. Pri trojfázových autotransformátoroch sú vinutia zvyčajne spojené do hviezdy s uzemneným neutrálom, sú možné aj iné schémy pripojenia, ale príliš komplikované a ťažkopádne. To je tiež nevýhoda, ktorá zužuje rozsah autotransformátorov.
Aplikácia transformátorov
Vlastnosť transformátorov zvyšovať alebo znižovať napätie je široko používaná v priemysle av každodennom živote.
Transformácia napätia
Na úroveň priemyselného napätia v rôznych stupňoch sú kladené rôzne požiadavky. Pri výrobe elektriny je z rôznych dôvodov nerentabilné používať vysokonapäťové generátory. Preto sa napríklad vo vodných elektrárňach používajú generátory pre 6 ... 35 kV. Na prepravu elektriny naopak potrebujete zvýšené napätie – od 110 kV do 1150 kV v závislosti od vzdialenosti. Ďalej sa toto napätie opäť zníži na úroveň 6 ... 10 kV, distribuuje sa do miestnych rozvodní, odkiaľ sa zníži na 380 (220) voltov a prichádza ku konečnému spotrebiteľovi. V domácich a priemyselných spotrebičoch sa musí tiež znížiť, zvyčajne na 3 ... 36 voltov.
Všetky tieto operácie sa vykonávajú s pomocou výkonových transformátorov. Môžu byť suché alebo na olejovej báze. V druhom prípade je jadro s vinutiami umiestnené v nádrži s olejom, ktorý je izolačným a chladiacim médiom.
Galvanická izolácia
Galvanické oddelenie zvyšuje bezpečnosť elektrických spotrebičov. Ak je zariadenie napájané nie priamo z 220 voltovej siete, kde je jeden z vodičov pripojený k zemi, ale cez 220/220 voltový transformátor, tak napájacie napätie zostane rovnaké.Ale pri súčasnom dotyku so zemou a sekundárnymi prúdovými časťami obvodu pre tok prúdu nebude tok prúdu a nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom bude oveľa nižšie.
Meranie napätia
Vo všetkých elektrických inštaláciách je potrebné kontrolovať úroveň napätia. Ak sa použije trieda napätia do 1000 voltov, potom sa voltmetre pripájajú priamo k živým častiam. V elektrických inštaláciách nad 1000 voltov to nebude fungovať - zariadenia, ktoré vydržia také napätie, sa v prípade poruchy izolácie ukážu ako príliš objemné a nebezpečné. Preto sú v takýchto systémoch voltmetre pripojené k vysokonapäťovým vodičom cez transformátory s vhodným transformačným pomerom. Napríklad pre siete 10 kV sa používajú prístrojové transformátory 1:100, výstup je štandardné napätie 100 voltov. Ak sa zmení amplitúda napätia na primárnom vinutí, súčasne sa zmení aj na sekundárnom. Stupnica voltmetra je zvyčajne odstupňovaná v rozsahu primárneho napätia.
Transformátor je pomerne zložitý a nákladný prvok na výrobu a údržbu. V mnohých oblastiach sú však tieto zariadenia nevyhnutné a neexistuje k nim žiadna alternatíva.
Podobné články:
