Transformátor je elektromagnetické zařízení používané k přeměně střídavého proudu o jednom napětí a frekvenci na střídavý proud o jiném (nebo stejném) napětí a stejné frekvenci.
Obsah
Zařízení a provoz transformátoru
V nejjednodušším případě transformátor obsahuje jedno primární vinutí s počtem závitů W1 a jeden sekundární s počtem závitů W2. Energie je dodávána do primárního vinutí, zátěž je připojena k sekundárnímu. Přenos energie se provádí elektromagnetickou indukcí. Pro posílení elektromagnetické vazby jsou ve většině případů vinutí umístěna na uzavřeném jádru (magnetický obvod).
Pokud je na primární vinutí přivedeno střídavé napětí U1, pak střídavý proud I1, který vytváří v jádře magnetický tok Ф stejného tvaru.Tento magnetický tok indukuje EMF v sekundárním vinutí. Pokud je k sekundárnímu okruhu připojena zátěž, sekundární proud I2.
Napětí v sekundárním vinutí je určeno poměrem závitů W1 a w2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, kde k je transformační poměr.
Pokud k<1, pak U2>U1, a takový transformátor se nazývá step-up. Pokud k > 1, pak U2<U1, takový transformátor se nazývá step down. Protože výstupní výkon transformátoru je roven vstupnímu výkonu (minus ztráty v samotném transformátoru), můžeme říci, že Pout \u003d Pin, U1*I1=U2*I2 a já2= já1*k=I1*(W1/W2). V bezztrátovém transformátoru je tedy vstupní a výstupní napětí přímo úměrné poměru závitů vinutí. A proudy jsou nepřímo úměrné tomuto poměru.
Transformátor může mít více než jedno sekundární vinutí s různými poměry. Takže transformátor pro napájení zařízení domácích lamp ze sítě 220 V může mít jedno sekundární vinutí, například 500 voltů pro napájení anodových obvodů a 6 voltů pro napájení žhavicích obvodů. V prvním případě k<1, ve druhém - k>1.
Transformátor pracuje pouze se střídavým napětím - pro výskyt EMF v sekundárním vinutí se musí změnit magnetický tok.
Typy jader pro transformátory
V praxi se používají jádra nejen naznačeného tvaru. V závislosti na účelu zařízení lze magnetické obvody provádět různými způsoby.
Jádra tyčí
Magnetické obvody nízkofrekvenčních transformátorů jsou vyrobeny z oceli s výraznými magnetickými vlastnostmi.Pro snížení vířivých proudů je jádro sestaveno ze samostatných desek, které jsou od sebe elektricky izolované. Pro práci při vysokých frekvencích se používají jiné materiály, například ferity.
Výše uvedené jádro se nazývá jádro a skládá se ze dvou tyčí. Pro jednofázové transformátory se používají i třítyčové magnetické obvody. Mají menší magnetický únikový tok a vyšší účinnost. V tomto případě je primární i sekundární vinutí umístěno na centrální tyči jádra.
Třífázové transformátory se vyrábějí i na třítyčových jádrech. Mají primární a sekundární vinutí každé fáze, každé je umístěno na vlastním jádru. V některých případech se používají pětityčové magnetické obvody. Jejich vinutí jsou umístěna úplně stejně - každý primár a sekundár na své tyči a dvě krajní tyče na každé straně jsou určeny pouze pro uzavření magnetických toků v určitých režimech.
obrněný
V pancéřovém jádru jsou vyrobeny jednofázové transformátory - obě cívky jsou umístěny na centrálním jádru magnetického obvodu. Magnetický tok v takovém jádru se uzavírá podobně jako u třítyčové konstrukce – přes boční stěny. V tomto případě je únikový tok velmi malý.
Mezi výhody této konstrukce patří určité zvětšení velikosti a hmotnosti díky možnosti hustšího vyplnění okna jádra vinutím, proto je výhodné používat pancéřová jádra pro výrobu transformátorů s nízkým výkonem. To má za následek i kratší magnetický obvod, což vede ke snížení ztrát naprázdno.
Nevýhodou je obtížnější přístup k vinutí pro revize a opravy a také zvýšená složitost výroby izolace pro vysoká napětí.
Toroidní
U toroidních jader je magnetický tok zcela uzavřen uvnitř jádra a prakticky nedochází k úniku magnetického toku. Ale takové transformátory se obtížně navíjejí, takže se používají poměrně zřídka, například v nízkovýkonových nastavitelných autotransformátorech nebo ve vysokofrekvenčních zařízeních, kde je důležitá odolnost proti šumu.
Autotransformátor
V některých případech je vhodné použít takové transformátory, které mají nejen magnetické spojení mezi vinutími, ale také elektrické. To znamená, že u stupňovitých zařízení je primární vinutí součástí sekundárního a u snižovacích zařízení sekundární částí primáru. Takové zařízení se nazývá autotransformátor (AT).
Snižovací autotransformátor není jednoduchý dělič napětí - na přenosu energie do sekundárního obvodu se podílí i magnetická vazba.
Výhody autotransformátorů jsou:
- menší ztráty;
- možnost plynulé regulace napětí;
- menší ukazatele hmotnosti a velikosti (autotransformátor je levnější, je snazší jej přepravovat);
- nižší náklady díky menšímu potřebnému množství materiálu.
Mezi nevýhody patří nutnost použití izolace obou vinutí, určené pro vyšší napětí, a také chybějící galvanické oddělení mezi vstupem a výstupem, které může přenášet vlivy atmosférických jevů z primárního okruhu na sekundární. V tomto případě nemohou být prvky sekundárního okruhu uzemněny.Rovněž za nevýhodu AT se považují zvýšené zkratové proudy. U třífázových autotransformátorů jsou vinutí obvykle zapojena do hvězdy s uzemněným neutrálem, jsou možná jiná schémata připojení, ale příliš komplikovaná a těžkopádná. To je také nevýhoda, která zužuje pole působnosti autotransformátorů.
Aplikace transformátorů
Vlastnost transformátorů zvyšovat nebo snižovat napětí je široce využívána v průmyslu i v každodenním životě.
Transformace napětí
Na úroveň průmyslového napětí v různých stupních jsou kladeny různé požadavky. Při výrobě elektřiny je z různých důvodů nerentabilní používat vysokonapěťové generátory. Proto se například ve vodních elektrárnách používají generátory pro 6 ... 35 kV. K přepravě elektřiny naopak potřebujete zvýšené napětí - od 110 kV do 1150 kV v závislosti na vzdálenosti. Dále je toto napětí opět sníženo na úroveň 6 ... 10 kV, distribuováno do místních rozvoden, odkud je sníženo na 380 (220) voltů a přichází ke konečnému spotřebiteli. V domácích a průmyslových spotřebičích musí být také snížena, obvykle na 3 ... 36 voltů.
Všechny tyto operace se provádějí s pomocí výkonových transformátorů. Mohou být suché nebo na olejové bázi. Ve druhém případě je jádro s vinutími umístěno v nádrži s olejem, který je izolačním a chladicím médiem.
Galvanická izolace
Galvanické oddělení zvyšuje bezpečnost elektrických spotřebičů. Pokud je zařízení napájeno nikoli přímo ze sítě 220 V, kde je jeden z vodičů spojen se zemí, ale přes transformátor 220/220 V, pak napájecí napětí zůstane stejné.Ale při současném dotyku země a sekundárních částí obvodu vedoucích proud pro tok proudu nebude proudit žádný proud a nebezpečí úrazu elektrickým proudem bude mnohem nižší.
Měření napětí
Ve všech elektrických instalacích je nutné kontrolovat úroveň napětí. Pokud se použije třída napětí do 1000 voltů, pak se voltmetry připojují přímo k živým částem. V elektrických instalacích nad 1000 voltů to nebude fungovat - zařízení, která vydrží takové napětí, se v případě poruchy izolace ukáží jako příliš objemná a nebezpečná. Proto jsou v takových systémech voltmetry připojeny k vysokonapěťovým vodičům prostřednictvím transformátorů s vhodným transformačním poměrem. Například pro sítě 10 kV se používají přístrojové transformátory 1:100, na výstupu je standardní napětí 100 voltů. Pokud se změní amplituda napětí na primárním vinutí, změní se současně i na sekundárním. Stupnice voltmetru je obvykle odstupňována v rozsahu primárního napětí.
Transformátor je poměrně složitý a nákladný prvek na výrobu a údržbu. V mnoha oblastech jsou však tato zařízení nepostradatelná a neexistuje k nim žádná alternativa.
Podobné články:
