Rodzaje transformatorów

Transformator to statyczne urządzenie elektromagnetyczne zawierające od dwóch do kilku cewek umieszczonych na wspólnym obwodzie magnetycznym, a więc połączonych ze sobą indukcyjnie. Służy jako transformator do konwersji energii elektrycznej z prądu przemiennego za pomocą indukcji elektromagnetycznej bez zmiany częstotliwości prądu. Transformatory są używane zarówno do konwersji napięcia AC, jak i izolacja galwaniczna w różnych dziedzinach elektrotechniki i elektroniki.

Gwoli sprawiedliwości należy zauważyć, że w niektórych przypadkach transformator może zawierać tylko jedno uzwojenie (autotransformator), a rdzeń może być całkowicie nieobecny (HF — transformator), ale większość transformatorów ma rdzeń (obwód magnetyczny) wykonany z miękki magnetyczny materiał ferromagnetyczny, oraz dwie lub więcej izolowanych cewek taśmy lub drutu pokrytych wspólnym strumieniem magnetycznym, ale w pierwszej kolejności. Przyjrzyjmy się, jakie to rodzaje transformatorów, jak są rozmieszczone i do czego służą.

Transformator

Ten typ transformatorów niskiej częstotliwości (50-60 Hz) znajduje zastosowanie w sieciach elektrycznych, a także w instalacjach do odbioru i przetwarzania energii elektrycznej. Dlaczego nazywa się to władzą? Ponieważ to właśnie ten typ transformatora służy do zasilania i odbioru energii elektrycznej z iz linii elektroenergetycznych, na których napięcie może osiągnąć 1150 kV.

W miejskich sieciach elektrycznych napięcie osiąga 10 kV. Dokładnie przez potężne transformatory niskiej częstotliwości napięcie spada również do 0,4 kV, 380/220 woltów wymaganych przez konsumentów.

Strukturalnie typowy transformator mocy może zawierać dwa, trzy lub więcej uzwojeń umieszczonych na opancerzonym stalowym rdzeniu elektrycznym, przy czym niektóre uzwojenia niskiego napięcia są zasilane równolegle (transformator z dzielonym uzwojeniem).

Jest to przydatne do jednoczesnego zwiększania napięcia odbieranego z wielu generatorów. Z reguły transformator zasilający umieszcza się w zbiorniku z olejem transformatorowym, aw przypadku szczególnie mocnych okazów dodawany jest aktywny układ chłodzenia.

Na stacjach i elektrowniach instalowane są trójfazowe transformatory mocy o mocy do 4000 kVA. Trójfazowe są bardziej powszechne, ponieważ straty uzyskuje się do 15% mniej niż w przypadku trzech jednofazowych.

Transformator sieciowy

W latach 80. i 90. transformatory sieciowe można było znaleźć w prawie każdym urządzeniu elektrycznym. Za pomocą transformatora sieciowego (zwykle jednofazowego) napięcie 220-woltowej sieci domowej o częstotliwości 50 Hz jest obniżane do poziomu wymaganego przez urządzenie elektryczne, na przykład 5, 12, 24 lub 48 woltów.

Transformatory liniowe są często wykonane z wieloma uzwojeniami wtórnymi, dzięki czemu wiele źródeł napięcia może być używanych do zasilania różnych części obwodu. W szczególności transformatory TN (transformatory żarowe) można zawsze (i nadal można) znaleźć w obwodach, w których obecne są lampy radiowe.

Nowoczesne transformatory liniowe zbudowane są na rdzeniach w kształcie litery W, prętowych lub toroidalnych zespołu blach elektrotechnicznych, na których nawinięte są cewki. Toroidalny kształt obwodu magnetycznego umożliwia uzyskanie bardziej zwartego transformatora.

Jeśli porównamy transformatory o tej samej mocy całkowitej rdzeni toroidalnych i w kształcie litery W, toroidalny zajmie mniej miejsca, ponadto powierzchnia toroidalnego obwodu magnetycznego jest całkowicie pokryta uzwojeniami, nie ma pustego jarzma, ponieważ obudowa z opancerzonymi jądrami w kształcie litery W lub prętopodobnymi. Sieć elektryczna obejmuje w szczególności transformatory spawalnicze o mocy do 6 kW. Transformatory sieciowe są oczywiście klasyfikowane jako transformatory niskiej częstotliwości.

Autotransformator

Jednym z typów transformatorów niskiej częstotliwości jest autotransformator, w którym uzwojenie wtórne jest częścią uzwojenia pierwotnego lub uzwojenie pierwotne jest częścią uzwojenia wtórnego. Oznacza to, że w autotransformatorze uzwojenia są połączone nie tylko magnetycznie, ale także elektrycznie. Kilka przewodów jest wykonanych z jednej cewki i pozwala uzyskać różne napięcia z jednej cewki.

Główną zaletą autotransformatora jest jego niższy koszt, ponieważ na uzwojenia zużywa się mniej drutu, a na rdzeń mniej stali, dzięki czemu masa jest mniejsza niż w przypadku konwencjonalnego transformatora.Wadą jest brak izolacji galwanicznej cewek.

Autotransformatory są stosowane w urządzeniach automatyki sterującej, a także są szeroko stosowane w sieciach elektrycznych wysokiego napięcia. Trójfazowe autotransformatory z połączeniem w trójkąt lub gwiazdę w sieciach elektrycznych są dziś bardzo poszukiwane.

Autotransformatory mocy są dostępne w pojemnościach do setek megawatów. Autotransformatory są również używane do uruchamiania silników prądu przemiennego o dużej mocy. Autotransformatory są szczególnie przydatne w przypadku niskich współczynników transformacji.

Autotransformator laboratoryjny

Szczególnym przypadkiem autotransformatora jest autotransformator laboratoryjny (LATR). Pozwala na płynną regulację napięcia dostarczanego użytkownikowi. Projekt LATR jest transformator toroidalny z pojedynczym uzwojeniem, które ma nieizolowaną „ścieżkę” od zwoju do zwoju, to znaczy możliwe jest podłączenie do każdego ze zwojów uzwojenia. Kontakt z gąsienicą zapewnia przesuwna szczotka węglowa sterowana pokrętłem.

Możesz więc uzyskać efektywne napięcie przy różnych wielkościach obciążenia. Typowe napędy jednofazowe pozwalają na przyjmowanie napięć od 0 do 250 woltów, a trójfazowe - od 0 do 450 woltów. LATRy o mocy od 0,5 do 10 kW są bardzo popularne w laboratoriach do strojenia urządzeń elektrycznych.

Przekładnik prądowy

Przekładnik prądowy nazywamy transformatorem, którego uzwojenie pierwotne jest podłączone do źródła prądu, a uzwojenie wtórne do urządzeń ochronnych lub pomiarowych o małej rezystancji wewnętrznej. Najpopularniejszym typem przekładnika prądowego jest przekładnik prądowy.

Uzwojenie pierwotne przekładnika prądowego (zwykle tylko jeden zwój, jeden przewód) jest połączone szeregowo w obwodzie, w którym chcesz mierzyć prąd przemienny. Okazuje się, że prąd uzwojenia wtórnego jest proporcjonalny do prądu uzwojenia pierwotnego, podczas gdy uzwojenie wtórne musi być koniecznie obciążone, ponieważ w przeciwnym razie napięcie uzwojenia wtórnego może być na tyle wysokie, że pęknie izolacja. Ponadto, jeśli uzwojenie wtórne CT otworzy się, obwód magnetyczny po prostu wypali się z indukowanych nieskompensowanych prądów.

Konstrukcję przekładnika prądowego stanowi rdzeń wykonany z laminowanej krzemowej stali elektrotechnicznej walcowanej na zimno, na którym nawinięte jest jedno lub więcej izolowanych uzwojeń wtórnych. Uzwojenie pierwotne to często po prostu szyna zbiorcza lub przewód, przez który mierzony prąd przepływa przez okienko obwodu magnetycznego (nawiasem mówiąc, zasada ta jest wykorzystywana m.in. miernik cęgowy).Główną cechą przekładnika prądowego jest przekładnia, na przykład 100/5 A.

Przekładniki prądowe są szeroko stosowane do pomiaru prądu oraz w obwodach zabezpieczających przekaźniki. Są bezpieczne, ponieważ obwody pomiarowy i wtórny są od siebie galwanicznie odizolowane. Zazwyczaj przemysłowe przekładniki prądowe są produkowane z dwoma lub więcej grupami uzwojeń wtórnych, z których jedno jest podłączone do urządzeń zabezpieczających, a drugie do urządzenia pomiarowego, takiego jak mierniki.

Transformator impulsowy

W prawie wszystkich nowoczesnych zasilaczach sieciowych, w różnych falownikach, w spawarkach oraz w innych przetwornicach mocy i małej mocy stosuje się transformatory impulsowe.Obecnie obwody impulsowe prawie całkowicie zastąpiły ciężkie transformatory niskiej częstotliwości laminowanymi rdzeniami stalowymi.

Typowym transformatorem impulsowym jest transformator z rdzeniem ferrytowym. Kształt rdzenia (obwodu magnetycznego) może być zupełnie inny: pierścień, pręt, miseczka, w kształcie litery W, w kształcie litery U. Przewaga ferrytów nad stalą transformatorową jest oczywista — transformatory ferrytowe mogą pracować przy częstotliwościach do 500 kHz lub wyższych.

Ponieważ transformator impulsowy jest transformatorem wysokiej częstotliwości, jego wymiary są znacznie zmniejszane wraz ze wzrostem częstotliwości. Mniej drutu jest potrzebne do uzwojenia, a prąd pola jest wystarczający do uzyskania prądu o wysokiej częstotliwości w pętli pierwotnej, IGBT lub tranzystor bipolarny, czasami kilka, w zależności od topologii obwodu zasilania impulsowego (forward — 1, push-pull — 2, half-bridge — 2, bridge — 4).

Aby być uczciwym, zauważamy, że jeśli zastosowano odwrotny obwód zasilania, to transformator jest zasadniczo podwójnym dławikiem, ponieważ procesy gromadzenia i uwalniania energii elektrycznej w obwodzie wtórnym są rozdzielone w czasie, to znaczy nie postępują dlatego jednocześnie z obwodem sterowania flyback nadal jest dławikiem, ale nie transformatorem.

Obwody impulsowe z transformatorami i dławikami ferrytowymi można dziś znaleźć wszędzie, od stateczników energooszczędnych lamp i ładowarek różnych gadżetów, po spawarki i wydajne falowniki.

Pulsacyjny transformator prądu

Do pomiaru wielkości i (lub) kierunku prądu w obwodach impulsowych często stosuje się impulsowe przekładniki prądowe, które są rdzeniem ferrytowym, często w kształcie pierścienia (toroidalnym), z jednym uzwojeniem.Drut przechodzi przez pierścień rdzenia, w którym ma być badany prąd, a sama cewka jest obciążana na rezystorze.

Na przykład pierścień zawiera 1000 zwojów drutu, wówczas stosunek prądów uzwojenia pierwotnego (drutu gwintowanego) i wtórnego wyniesie 1000 do 1. Jeśli uzwojenie pierścienia zostanie obciążone rezystorem o znanej wartości, wtedy napięcie zmierzone na nim będzie proporcjonalne do prądu cewki, co oznacza, że ​​zmierzony prąd jest 1000 razy większy od prądu płynącego przez ten rezystor.

Przemysł produkuje impulsowe przekładniki prądowe o różnych przełożeniach. Do takiego transformatora projektant musi tylko podłączyć rezystor i obwód pomiarowy. Jeśli chcesz znać kierunek prądu, a nie jego wielkość, uzwojenie przekładnika prądowego jest po prostu ładowane przez dwie przeciwstawne diody Zenera.

Komunikacja między maszynami elektrycznymi a transformatorami

Transformatory elektryczne są zawsze uwzględnione w kursach maszyn elektrycznych studiowanych na wszystkich specjalnościach elektrotechnicznych instytucji edukacyjnych. W istocie transformator elektryczny nie jest maszyną elektryczną, lecz aparatem elektrycznym, gdyż nie ma w nim części ruchomych, których obecność jest cechą charakterystyczną każdej maszyny jako rodzaju mechanizmu.Z tego powodu wspomniane kursy, w aby uniknąć nieporozumień, powinien nazywać się „kursami maszyn elektrycznych i transformatorów elektrycznych”.

Włączenie transformatorów do wszystkich kursów dotyczących maszyn elektrycznych wynika z dwóch powodów.Jeden ma pochodzenie historyczne: te same fabryki, które budowały maszyny elektryczne prądu przemiennego, budowały również transformatory, ponieważ sama obecność transformatorów dawała maszynom prądu przemiennego przewagę nad maszynami prądu stałego, co ostatecznie doprowadziło do ich dominacji w branży. A teraz nie można sobie wyobrazić dużej instalacji prądu przemiennego bez transformatorów.

Jednak wraz z rozwojem produkcji maszyn prądu przemiennego i transformatorów konieczne stało się skoncentrowanie produkcji transformatorów w specjalnych fabrykach transformatorów. Faktem jest, że ze względu na możliwość przesyłania prądu przemiennego za pomocą transformatorów na duże odległości, wzrost wyższego napięcia transformatorów był znacznie szybszy niż wzrost napięcia maszyn elektrycznych prądu przemiennego.

Na obecnym etapie rozwoju maszyn elektrycznych prądu przemiennego najwyższe racjonalne napięcie dla nich wynosi 36 kV. Jednocześnie najwyższe napięcie w faktycznie zrealizowanych transformatorach elektrycznych osiągnęło wartość 1150 kV. Tak wysokie napięcia transformatorów i ich praca na napowietrznych liniach elektroenergetycznych narażonych na wyładowania atmosferyczne doprowadziły do ​​bardzo specyficznych problemów z transformatorami, które są obce maszynom elektrycznym.

Doprowadziło to do powstania problemów technologicznych tak odmiennych od problemów technologicznych elektrotechniki, że rozdzielenie transformatorów na samodzielną produkcję stało się nieuniknione. W ten sposób zniknął pierwszy powód — połączenie przemysłowe, które zbliżyło transformatory do maszyn elektrycznych.

Drugi powód ma charakter fundamentalny i polega na tym, że stosowane w praktyce transformatory elektryczne, jak również maszyny elektryczne, oparte są na zasada indukcji elektromagnetycznej (prawo Faradaya), — pozostaje między nimi nierozerwalna więź. Jednocześnie do zrozumienia wielu zjawisk zachodzących w maszynach prądu przemiennego niezbędna jest znajomość procesów fizycznych zachodzących w transformatorach, a ponadto teorię dużej klasy maszyn prądu przemiennego można sprowadzić do teorii transformatorów, ułatwiając w ten sposób ich teoretyczne rozważania.

Dlatego w teorii maszyn prądu przemiennego teoria transformatorów zajmuje mocne miejsce, z czego jednak nie wynika, że ​​transformatory można nazwać maszynami elektrycznymi. Ponadto należy mieć na uwadze, że transformatory mają inny cel i proces konwersji energii niż maszyny elektryczne.

Zadaniem maszyny elektrycznej jest zamiana energii mechanicznej na energię elektryczną (generator) lub odwrotnie, energii elektrycznej na energię mechaniczną (silnik), tymczasem w transformatorze mamy do czynienia z zamianą pewnego rodzaju energii elektrycznej prądu przemiennego na prąd przemienny aktualna energia elektryczna. prąd innego rodzaju.