Co je to transformátor a jak funguje?

Nejběžnějšími elektrickými zařízeními v průmyslu a každodenním životě jsou transformátory. Jejich účelem je přenášet energii v nesrovnatelném elektrickém obvodu mezi jeho různými obvody. Používají se v případech, kdy je nutné snížit nebo zvýšit napětí mezi zdrojem energie a spotřebičem. Transformátory jsou také součástí napájecích obvodů, které převádějí střídavý proud na stejnosměrný proud. Činnost transformátorů je založena na jejich schopnosti přenášet elektřinu mezi obvody prostřednictvím magnetické indukce.

Výkonové transformátory jsou elektromagnetická zařízení určená k přeměně napětí střídavého proudu při zachování jeho frekvence a také k přeměně samotného napájecího systému.

Návrh a uspořádání výkonových transformátorů

Hlavní částí každého výkonového transformátoru je jeho jádro s několika vinutími, vyrobené z feromagnetického materiálu. Zpravidla se jedná o tenké plechy speciálního transformátorového železa s měkkými magnetickými vlastnostmi. Plechy jsou položeny tak, že tvar průřezu tyčí pod vinutím je blízký kruhu. Pro zvýšení účinnosti zařízení a snížení ztrát překrývají spoje mezi jednotlivými deskami celé plechy.

Vinutí transformátoru je obvykle vyrobeno z měděného drátu s obdélníkovým nebo kulatým průřezem. Každý závit je izolován od samotného magnetického jádra, stejně jako od sousedních závitů. Pro cirkulaci chladicí kapaliny jsou mezi vinutím a jeho jednotlivými vrstvami vytvořeny technické dutiny.

Každý transformátor má minimálně dvě vinutí: primární (do něj je přiváděn elektrický proud) a sekundární (proud se odebírá po přeměně jeho napětí).

Princip činnosti

Principem činnosti jakéhokoli výkonového transformátoru je fenomén elektromagnetické indukce. Do primárního vinutí je přiváděn střídavý proud, který tvoří střídavý magnetický tok v magnetickém obvodu. K tomu dochází v důsledku jeho zkratu na magnetickém obvodu a vytvoření adheze mezi vinutími, což vyvolává EMF. Zátěž připojená k sekundárnímu vinutí v něm vytváří napětí a proud.

Konstrukčně se pro získání jakéhokoli napětí na sekundárním vinutí používá požadovaný poměr závitů mezi vinutími. Výkonový transformátor má vlastnost reverzibility. Jinými slovy, lze jej použít ke zvýšení i snížení napětí. Ve většině případů se k řešení určitých problémů používá výkonový transformátor. Například konkrétně zvýšit nebo snížit napětí. U stupňovitého transformátoru je napětí na primárním vinutí nižší než na sekundárním.

Klasifikace výkonových transformátorů

V závislosti na napěťové třídě a celkové spotřebě energie jsou výkonové transformátory konvenčně rozděleny do následujících kategorií:

1. Do 100 kVA, do 35 kV;
2. 100 – 1000 kVA, do 35 kV;
3. 1000 – 6300 kVA, do 35 kV;
4. Více než 6300 kVA, až 35 kV;
5. Do 32 000 kVA, 35 – 110 kV;
6. 32 000 – 80 000 kVA, do 330 kV;
7. 80 000 – 200 000 kVA, do 330 kV;
8. Více než 200 000 kVA, více než 330 kV.

Typy výkonových transformátorů

Výkonové transformátory lze rozdělit do několika typů na základě následujících charakteristik a indikátorů:

• Typ chlazení. Existují suché a olejové transformátory. První varianta je vzduchem chlazená a používá se tam, kde jsou zvýšené požadavky na ochranu životního prostředí a požární bezpečnost. Druhou možností je pouzdro naplněné olejem s dielektrickými vlastnostmi, do kterého je ponořeno jádro s vinutími;
• Klimatický design: vnější a vnitřní možnosti;
• Počet fází. Existují třífázové (nejběžnější) a jednofázové;
• Počet závitů. Existují možnosti se dvěma vinutími a více vinutími;
• Účel: zvýšení a snížení.

Dalším kritériem je přítomnost nebo nepřítomnost regulátoru výstupního napětí.

Prvky výkonového transformátoru

Konstrukce výkonového transformátoru předpokládá přítomnost následujících prvků:

• Napájecí vstupy jsou zařízení, přes která je napájena zátěž. Může být umístěn uvnitř nebo venku. Průchodky jsou izolovány různými speciálními materiály a liší se typem izolace a provedením;
• Chladiče. Pro výkonné výkonové transformátory je k dispozici olejový chladicí systém. Chlazení samotného oleje se provádí pomocí radiátorů, vlnité nádrže, nucené ventilace, chladičů oleje a vody nebo oběhových čerpadel;
• Regulátory výstupního napětí jsou zařízení určená ke změně transformačního poměru. Mohou pracovat jak pod vlivem určité zátěže, tak bez ní (v závislosti na konstrukci). Regulátory v podstatě přidávají nebo snižují počet závitů ve vinutí.

Výkonové transformátory mohou být vybaveny dalšími nástavci:

• Plynové relé je zařízení s ochrannou funkcí. Pokud je transformátor nestabilní, olej se rozkládá na jeho složky, přičemž se uvolňuje plyn. Plynové relé buď vypne transformátor, nebo upozorní varovnými signály;
• Indikátory teploty – snímače, které měří teplotu oleje;
• Absorbéry vysoušedla jsou zařízení, která pohlcují kondenzát vytvořený pod ochranným krytem, ​​čímž zabraňují jeho vniknutí do oleje;
• systém regenerace oleje;
• Automatický ochranný systém proti zvýšení tlaku chladicí kapaliny;
• Ukazatel hladiny oleje.

Parametry výkonového transformátoru

• Jmenovitý výkon. U transformátoru se dvěma vinutími je parametr roven výkonu každého z nich. U verze se třemi vinutími s různými výkonovými vinutími se parametr rovná většímu z indikátorů;
• Jmenovité napětí vinutí je charakteristickým parametrem pro provoz naprázdno;
• Jmenovitý proud je indikátor, při kterém je povolen dlouhodobý provoz zařízení;
• Zkratové napětí je charakteristikou impedance vinutí.
• Ztráty zkratem;
• Proud naprázdno – ztráty materiálu magnetického jádra (reaktivní a aktivní);
• Ztráty proudu naprázdno;
• Transformační koeficient.

Jak vybrat napájecí transformátor

Výběr výkonového transformátoru pro provoz v podnicích je založen na výběru výkonu a také v souladu s požadavky na spolehlivost napájení. Pro zajištění nepřetržitého napájení je v některých případech nutné instalovat několik transformátorů. Výkon každého zařízení je volen tak, že v případě jeho výpadku jsou ostatní zařízení schopna převzít funkce tohoto chybějícího článku s přihlédnutím k možnému přetížení.

Dalším důležitým kritériem je dostupnost ochrany:

• Od vnitřního poškození. Vybaveno zařízeními, která monitorují přítomnost plynů, teplotu, tlak a hladinu olejového chladiče;
• Z přetížení. Při instalaci proudových transformátorů na každou fázi se používá tzv. diferenciální ochrana.

Oprava a údržba

Spolehlivost výkonových transformátorů přímo závisí na kvalitě a včasnosti jejich údržby. Zařízení instalovaná v prostorách, kde pracuje personál závodu, podléhají každodenní kontrole se sledováním ukazatelů hladiny oleje, stavu absorbéru a regeneračních zařízení. Kromě toho se kontroluje integrita těla a hlavních prvků. Transformátory v místnostech bez personálu jsou kontrolovány jednou měsíčně a transformátorové body – dvakrát ročně.

Neplánovaná kontrola výkonového transformátoru a jeho ochranných systémů se provádí v případě prudké změny okolní teploty a také v havarijních podmínkách. Zařízení pro regulaci napětí také podléhají pravidelné údržbě. Důvodem je oxidace kontaktních skupin, která vede ke zvýšení jejich přechodového odporu. Před sezónními změnami zátěže (obvykle dvakrát ročně) je zařízení odpojeno od spotřebičů a napájení, načež se regulátor napětí přesune postupně do všech možných poloh. Postup pomáhá zničit oxidový film.

Laboratorní rozbor oleje se provádí každý rok při větších opravách. Pokud olej při vizuální kontrole (barva) nebo podle kontrolních údajů nevyhovuje požadavkům, je vyměněn nebo dolit.

Transformátor — je zařízení pro přeměnu napětí a proudu v elektrickém obvodu. Transformátor může převádět střídavý proud a napětí bez změny frekvence.

Transformátor se obvykle skládá z uzavřeného jádra, které je vyrobeno z měkkého feromagnetu, a dvou vinutí (primárního a sekundárního). V elektrickém obvodu je obvykle primární vinutí (vstup transformátoru) připojeno ke zdroji střídavého proudu a sekundární vinutí (výstup) je připojeno ke spotřebičům elektřiny. Elektromagnetická indukce (EMF) ($< >_i$), které se objevuje v sekundárním vinutí, je úměrné počtu závitů v něm. Změnou počtu závitů v sekundárním vinutí lze výrazně změnit napětí na výstupu zařízení.

Princip činnosti transformátoru

Uvažujme, jak spolu souvisí napětí na vstupu ($U_1$) a napětí ($U_2$) na výstupu. V tomto případě předpokládáme, že $Ф$ je magnetický tok v jádře (magnetickém obvodu), předpokládejme, že je popsán harmonickým zákonem:

• $omega$ je úhlová frekvence střídavého proudu (počet period za 2$pi sekundy$),
• $Ф_m$ je amplituda magnetického toku.

U skutečných transformátorů některé indukční čáry vytvořené primárním vinutím opouštějí jádro a uzavírají se mimo sekundární vinutí. To vytváří magnetický svodový tok, který vede ke ztrátám elektrické energie a v důsledku těchto ztrát se celkový výkon snižuje.

U vysoce kvalitních transformátorů lze rozptylový tok zanedbat ve srovnání s tokem uvnitř jádra, proto lze předpokládat, že toky vinutími jsou stejné ($Ф$). Pokud $< >_1$ je elektromotorická síla vlastní indukce, pak se rovná:

“Transformátor”
Autorská pomoc s tématem práce
Slevy na vaši první objednávku
Shromáždil více než 72 000 autorů akademických prací

Elektromotorická síla ve druhém vinutí ($< >_2$) se rovná:

• $N_1 — $počet závitů v primárním vinutí,
• $N_2$ je počet závitů sekundárního vinutí.

Pomocí Ohmova zákona se napětí na vstupu transformátoru ($U_1$) rovná:

Výstupní napětí ($U_2$) je:

• $R_1 a R_2$ jsou odpory vinutí,
• $I_1 a I_2$ jsou proudové síly v odpovídajících vinutích.

Předpokládejme, že sekundární vinutí je otevřené ($I_2=0$). Navíc pro téměř všechny technické transformátory $R_1I_1ll < >_1$. Vydělme rovnici (5) číslem (4) po členech a dostaneme:

kde poměr $frac=K$ se nazývá transformační poměr.

Tento koeficient ukazuje, kolikrát je sekundární napětí větší než primární napětí v klidovém režimu. Pokud má transformátor zátěž, pak nelze místo vzorce (6) zanedbat úbytek napětí, získá se složitější výraz. Vzorec (6) popisuje zákon transformace amplitud napětí v transformátoru.

Celkový výkon transformátoru, určený rozměry jádra a jeho materiálu, lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Pokud je sekundární vinutí transformátoru součástí primárního vinutí (nebo naopak součástí sekundárního vinutí je primární vinutí), je transformátor autotransformátor. Často je jeden z kontaktů autotransformátoru pohyblivý. To umožňuje plynule měnit výstupní napětí.

Transformátor je příkladem aplikace vírového elektrického pole. Vírové pole způsobuje pohyb elektronů v sekundárním vinutí, je tedy příčinou EMF.

První transformátory vytvořil P.N. Yablochkov v roce 1877 a F.N. Usagina v roce 1882 a výkonové transformátory se začaly vyrábět v SSSR v roce 1928.

Aplikace transformátorů

Transformátory plní důležité funkce v elektrotechnice. V elektrických přenosových vedeních se tedy používá vysoká napětí (řádově desítky tisíc voltů). Jejich použití umožňuje snížit proudovou sílu ve vedení, což vede k výraznému snížení nákladů na výstavbu vedení pro přenos energie. Současně je obtížné vytvořit generátory a zařízení, která spotřebovávají elektrickou energii, která jsou navržena pro vysoké napětí, protože to vyžaduje vysoce kvalitní izolaci vinutí. Výsledkem je, že generátory produkují nízké napětí a poté se toto napětí zvyšuje pomocí stupňovitých transformátorů. Tam, kde se spotřebovává elektrická energie, se vysokonapěťový proud mění pomocí redukčních transformátorů.

Transformátory mají vysokou účinnost, dosahující 99 % $. Neobsahují žádné pohyblivé části.

Transformátory lze použít k přizpůsobení zdroje energie zátěži pro dosažení maximálního výstupního výkonu, což platí pro mnoho zařízení. Tak se pomocí transformátoru vyrovná vysoký vnitřní odpor zesilovače s nízkým odporem reproduktoru.

Úkol č. 1: Nakreslete vektorový diagram transformátoru naprázdno.

řešení:

Chod transformátoru naprázdno je jeho provoz s otevřeným sekundárním vinutím ($I_2=0$). Zanedbáme zpoždění fáze magnetického indukčního toku oproti fázi proudu v primárním vinutí v důsledku určité setrvačnosti, ke které dochází při remagnetizaci materiálu jádra. Pokud zanedbáme ztráty a rozptyl toku, můžeme napsat:

Protože proud naprázdno je velmi malý, stejně jako odpor primárního vinutí ve srovnání s jeho indukční reaktancí, proto:

$U_$ je pozadu o $frac $ z magnetického toku.

Připomeňme, že $U_1- $ je vnější napětí aplikované na primární vinutí, $U_$ je napětí v primárním vinutí v důsledku samoindukce, $U_$ je napětí na sekundárním vinutí jako výsledek vzájemné indukce, $I_m$ je proud naprázdno, $Ф_m$ je tok naprázdno, který je pokryt každým závitem vinutí.

Obrázek 1. Vektorový diagram nečinnosti. Author24 — online výměna studentských prací

Úkol č. 2: Vysvětlete provozní vlastnosti autotransformátoru?

řešení:

Provozní rozdíl autotransformátoru spočívá v tom, že primární a sekundární vinutí autotransformátoru jsou ve vzájemném elektrickém kontaktu a vinutí transformátoru jsou izolována. Proto může statický náboj z primárního vinutí autotransformátoru přecházet do sekundárního vinutí, což je u transformátoru nemožné. Tento jev je třeba vzít v úvahu. Autotransformátor je ekonomická konstrukce transformátoru, protože pomáhá šetřit na vinutí vodičů. Autotransformátor přitom zachovává všechny fyzikální principy činnosti transformátoru.

Datum poslední aktualizace článku: 01.03.2025
podíl

• Telegram
• WhatsApp
• VKontakte
• Spolužáci
• Email