Co je to transformátor a k čemu slouží?

Možná si někdo myslí, že transformátor je něco mezi transformátorem a terminátorem. Cílem tohoto článku je zničit takové myšlenky.

Denní zpravodaj s užitečnými informacemi pro studenty všech směrů – na našem telegramovém kanálu.

Transformátor je statické elektromagnetické zařízení určené k přeměně střídavého elektrického proudu jednoho napětí a určité frekvence na elektrický proud jiného napětí a stejné frekvence.

Práce jakéhokoli transformátoru je založena na fenoménu elektromagnetické indukce objeveném Faradayem.

Účel transformátorů

Různé typy transformátorů se používají téměř ve všech napájecích obvodech elektrických spotřebičů a při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti.

Elektrárny generují proud relativně nízkého napětí – 220, 380, 660B. Transformátory, zvyšující napětí na hodnoty objednávky tisíc kilovoltů, může výrazně snížit ztráty při přenosu elektrické energie na dlouhé vzdálenosti a zároveň snížit plochu průřezu elektrických přenosových vedení.

Těsně před tím, než se dostane ke spotřebiteli (například do běžné domácí zásuvky), proud prochází redukčním transformátorem. Takto získáme naše obvyklé 220 Volt.

Nejběžnějším typem transformátoru je výkonové transformátory. Jsou určeny k převodu napětí v elektrických obvodech. Kromě výkonových transformátorů používají různá elektronická zařízení:

• pulzní transformátory;
• výkonové transformátory;
• proudové transformátory.

Princip činnosti transformátoru

Transformátory jsou jednofázové a vícefázové, s jedním, dvěma nebo více vinutími. Zvažte schéma a princip činnosti transformátoru na příkladu nejjednoduššího jednofázového transformátoru.

Mimochodem, v dalších článcích si můžete přečíst, co je fáze a nula v elektřině.

Z čeho je vyroben transformátor? V nejjednodušším případě z jednoho kovu jádro a dva vinutí. Vinutí nejsou navzájem elektricky spojena a jsou to izolované vodiče.

Jedno vinutí (tzv primární) je připojen ke zdroji střídavého proudu. Druhé vinutí se nazývá sekundární, je připojen ke konečnému spotřebiteli proudu.

Když je transformátor připojen ke zdroji střídavého proudu, v závitech jeho primárního vinutí protéká střídavý proud. I1. To vytváří magnetický tok Ф, který prostupuje oběma vinutími a vyvolává v nich emf.

Stává se, že sekundární vinutí není zatíženo. Tento režim provozu transformátoru se nazývá klidový režim. Pokud je tedy sekundární vinutí připojeno k libovolnému spotřebiči, protéká jím proud I2, vznikající pod vlivem EMF.

Velikost EMF, která se vyskytuje ve vinutích, přímo závisí na počtu závitů každého vinutí. Poměr EMF indukovaného v primárním a sekundárním vinutí se nazývá transformační poměr a je roven poměru počtu závitů příslušných vinutí.

Volbou počtu závitů na vinutí je možné zvýšit nebo snížit napětí na proudovém spotřebiči ze sekundárního vinutí.

Ideální transformátor

Ideální transformátor je takový transformátor, ve kterém nedochází ke ztrátám energie. V takovém transformátoru se proudová energie v primárním vinutí zcela přemění nejprve na energii magnetického pole a poté na energii sekundárního vinutí.

Takový transformátor samozřejmě v přírodě neexistuje. V případě, kdy lze tepelné ztráty zanedbat, je vhodné při výpočtech použít vzorec pro ideální transformátor, podle kterého jsou proudové výkony v primárním a sekundárním vinutí stejné.

Mimochodem! Pro naše čtenáře je nyní sleva 10 %. jakýkoli druh práce

Energetické ztráty v transformátoru

Účinnost transformátorů je poměrně vysoká. Ve vinutí a jádře však dochází ke ztrátám energie, což způsobuje nárůst teploty během provozu transformátoru. U transformátorů malého výkonu to není problém a veškeré teplo jde do okolí – využívá se přirozené chlazení vzduchem. Takové transformátory se nazývají suché.

U výkonnějších transformátorů nestačí chlazení vzduchem a používá se chlazení olejem. Transformátor je v tomto případě umístěn v nádrži na minerální olej, kterou je teplo předáváno stěnám nádrže a odváděno do okolí. U vysokovýkonných transformátorů se navíc používají výfukové potrubí – pokud se olej vaří, výsledné plyny potřebují výstup.

Transformátory samozřejmě nejsou tak jednoduché, jak by se na první pohled mohlo zdát – ostatně princip transformátoru jsme si krátce zopakovali. Elektrotechnický test s úlohami na výpočet transformátoru se rázem může stát skutečným problémem. Speciální studentská služba je vždy připravena pomoci při řešení jakýchkoli problémů s vaším studiem! Kontaktujte Zaochnika a učte se snadno!

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 P_н=U_н× I_нa výkon primární cívky P_с=U_с× I_с. Ideálně P_н = P_с (Pokud zanedbáme ztráty v jádře). Potom k = U_с / U_н = I_с / I_н 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.