Konstrukce a princip činnosti transformátoru | Techcult

S objevem a začátkem průmyslového využití elektřiny vyvstala potřeba vytvořit systémy pro její přeměnu a dodávku spotřebitelům. Tak se objevily transformátory, jejichž princip fungování bude diskutován.

Jejich objevení před téměř 200 lety předcházel objev fenoménu elektromagnetické indukce velkým anglickým fyzikem Michaelem Faradayem. Později se svým americkým kolegou D. Henrym nakreslili schéma budoucího transformátoru.

K prvnímu ztělesnění myšlenky v železe došlo v roce 1848 vytvořením indukční cívky francouzským mechanikem G. Ruhmkorffem. Svůj příspěvek poskytli i ruští vědci. V roce 1872 profesor Moskevské univerzity A.G. Stoletov objevil hysterezní smyčku a popsal strukturu feromagnetu a o 4 roky později získal vynikající ruský vynálezce P.N. Jabločkov patent na vynález prvního transformátoru střídavého proudu.

Jak funguje transformátor a jak funguje

Transformátory jsou název obrovské „rodiny“, která zahrnuje jednofázové, třífázové, snižující, zvyšovací, měřicí a mnoho dalších typů transformátorů. Jejich hlavním účelem je převádět jedno nebo více střídavých napětí na jiné na základě elektromagnetické indukce s konstantní frekvencí.

Stručně tedy, jak funguje nejjednodušší jednofázový transformátor. Skládá se ze tří hlavních prvků – primárního a sekundárního vinutí a magnetického obvodu, který je spojuje do jediného celku, na kterém jsou jakoby navlečeny. Zdroj je připojen výhradně k primárnímu vinutí, zatímco sekundární vinutí odebírá a přenáší již změněné napětí ke spotřebiteli.

Princip činnosti transformátoru

Primární vinutí připojené k síti vytváří v magnetickém obvodu střídavé elektromagnetické pole a vytváří magnetický tok, který začíná cirkulovat mezi vinutími a vyvolává v nich elektromotorickou sílu (EMF). Jeho hodnota závisí na počtu závitů ve vinutí. Například pro snížení napětí je nutné, aby v primárním vinutí bylo více závitů než v sekundárním. Na tomto principu fungují snižovací a zvyšující transformátory.

Důležitým rysem konstrukce transformátoru je, že magnetické jádro má ocelovou konstrukci a vinutí, obvykle válcového tvaru, jsou od ní izolována, nejsou přímo spojena a mají své vlastní označení.

Napěťové transformátory

Toto je možná nejpočetnější typ rodiny transformátorů. Stručně řečeno, jejich hlavní funkcí je zpřístupnit energii vyrobenou v elektrárnách pro spotřebu různými zařízeními. K tomuto účelu slouží přenosový systém skládající se z náběhových a útlumových trafostanic a silových vedení.

Nejprve je elektřina vyrobená elektrárnou dodávána do zvyšovací transformovny (například od 12 do 500 kV). To je nezbytné, aby se kompenzovaly nevyhnutelné ztráty elektřiny při přenosu na velké vzdálenosti.

Dalším stupněm je snižovací rozvodna, odkud je elektřina přiváděna nízkonapěťovým vedením do snižovacího transformátoru a dále ke spotřebiči ve formě napětí 220 V.

Tím ale práce transformátorů nekončí. Většina domácích elektrospotřebičů kolem nás – PC, televize, tiskárny, automatické pračky, ledničky, mikrovlnné trouby, DVD a dokonce i úsporné žárovky mají snižovací transformátory. Příkladem individuálního „kapesního“ transformátoru je nabíječka mobilního telefonu (smartphonu).

Obrovská rozmanitost moderních elektronických zařízení a funkcí, které vykonávají, odpovídají mnoha různým typům transformátorů. Toto není jejich úplný seznam: výkonové, pulzní, svařovací, oddělovací, přizpůsobovací, rotační, třífázové, špičkové transformátory, proudové transformátory, toroidní, tyčové a pancéřové.

Co jsou zač, transformátory budoucnosti?

Transformátorový průmysl je považován za značně konzervativní. Přesto musí počítat i s převratnými změnami v oblasti elektrotechniky, kde o sobě nanotechnologie dávají vědět stále hlasitěji. Stejně jako mnoho dalších zařízení jsou postupně chytřejší.

Probíhá aktivní hledání nových konstrukčních materiálů – izolačních a magnetických – které mohou zajistit vyšší spolehlivost transformátorových zařízení. Jedním směrem by mohlo být použití amorfních materiálů, které výrazně zvýší jeho požární bezpečnost a spolehlivost.

Objeví se nevýbušné a ohnivzdorné transformátory, ve kterých budou chlorované bifenyly, používané k impregnaci elektroizolačních materiálů, nahrazeny netoxickými kapalnými, ekologickými dielektriky.

Příkladem toho jsou výkonové transformátory SF6, kde funkci chladiva plní místo zdaleka bezpečného transformátorového oleje nehořlavý plyn SF6, fluorid sírový.

Je otázkou času vytvořit „chytré“ energetické sítě vybavené polovodičovými polovodičovými transformátory s elektronickým řízením, s jejichž pomocí bude možné regulovat napětí v závislosti na potřebách spotřebitelů, zejména připojovat obnovitelné a průmyslové zdroje energie do domácí sítě, nebo naopak nepotřebné vypnout, když nejsou nutné.

Další perspektivní oblastí jsou nízkoteplotní supravodivé transformátory. Práce na jejich vytvoření začaly již v 60. letech. Hlavním problémem, kterému vědci čelí, je obrovská velikost kryogenních systémů potřebných k výrobě kapalného hélia. Vše se změnilo v roce 1986, kdy byly objeveny vysokoteplotní supravodivé materiály. Díky nim bylo možné opustit objemná chladicí zařízení.

Transformátor s polovodičovým měničem

Supravodivé transformátory mají jedinečnou kvalitu: při vysokých proudových hustotách jsou ztráty v nich minimální, ale když proud dosáhne kritických hodnot, odpor od nulové úrovně prudce vzroste.

Líbil se vám příspěvek? Chcete něco říct? Připojit se:

„Transformátor je zařízení používané ke změně napětí elektrického proudu nebo magnetického indukčního proudu. Hlavní funkcí transformátoru je přeměňovat elektrickou energii z jedné hodnoty napětí na jinou hodnotu napětí při zachování stejného výkonu.“

1. Historie vynálezu

2. Účel transformátoru

3. Druhy, použití

4. Schéma, zařízení

Historie vynálezu

Historie vynálezu transformátoru je spojena se jménem ruského vědce a vynálezce Pavel Nikolajevič JabločkovNarodil se 14. září 1847 ve vesnici Sapozhok v Rjazaňské gubernii. Od dětství projevoval zájem o techniku a vědu a již v mládí se začal věnovat vynálezům. V 1870. letech XNUMX. století pracoval na vytvoření elektrické svíčky – zařízení schopného přeměňovat stejnosměrný proud na jasné světlo.

V roce 1876 se Jabločkov přestěhoval do Paříže, kde pokračoval ve svém výzkumu. Právě tam v roce 1881 vynalezl transformátor. Nápad na toto zařízení ho napadl, když pracoval na vylepšení své elektrické svíčky. Chenyi si všiml, že svíčka k provozu vyžaduje velmi vysoké napětí, a rozhodl se najít způsob, jak ho snížit.

Vědec vytvořil první transformátor pomocí dvou indukčních cívek spojených měděným drátem. Když byla jedna z cívek připojena ke zdroji vysokého napětí, druhá cívka začala generovat proud nízkého napětí. To Jabločkovovi umožnilo výrazně snížit napětí potřebné k provozu zapalovacích svíček.

Později v 19. století se transformátory začaly používat k přenosu elektřiny na velké vzdálenosti. To bylo umožněno vynálezem třífázového systému přenosu energie, který vyvinul Michail Osipovič Dolivo-DobrovolskijNa počátku 20. století se transformátory staly nedílnou součástí elektrické infrastruktury.

Transformátory se dnes používají všude, od domácích spotřebičů až po průmyslové systémy. Hrají klíčovou roli v přenosu a distribuci elektrické energie po celém světě.

Účel transformátoru

Účelem transformátoru je plnit následující funkce:

Zvýšení nebo snížení napětí

Transformátory se používají ke zvýšení napětí vstupního proudu na požadovanou úroveň, aby byl zajištěn bezpečný přenos elektřiny na velké vzdálenosti. Mohou být také použity ke snížení napětí, aby bylo dostupnější pro koncové uživatele.

Izolace a bezpečnost

Produkty poskytují izolaci mezi primárním a sekundárním vinutím, což snižuje riziko úrazu elektrickým proudem a zabraňuje zkratům.

Vyvažování zátěže

Transformátory lze použít k vyrovnání zátěže mezi různými zdroji elektrické energie, jako jsou elektrické vedení, aby se zabránilo přetížení a přehřátí.

Přenos elektřiny na velké vzdálenosti

Tato zařízení hrají klíčovou roli v přenosu elektrické energie na velké vzdálenosti, protože snižují ztráty energie způsobené odporem a indukčností vodičů.

Ochrana před rušením a šumem

Transformátory lze použít k potlačení elektromagnetického rušení a šumu, které se mohou vyskytovat v elektrických obvodech.

Rozdělování a slučování řetězců

Transformátory lze také použít k rozdělení a kombinování obvodů, například pro bezpečnost v lékařských zařízeních nebo k připojení více zařízení k jedné elektrické zásuvce.

Typy transformátorů, použití

Níže se podíváme na různé typy transformátorů, jejich vlastnosti, principy činnosti a oblasti použití.

Výkonový transformátor

Výkonový transformátor je zařízení určené k přenosu a distribuci elektrické energie. Převádí napětí a proud na vstupu na požadované hodnoty na výstupu. Výkonové transformátory se používají v elektrických sítích, průmyslových instalacích a elektrárnách.

Autotransformátor

Autotransformátor je transformátor, ve kterém jsou elektricky propojena dvě nebo více vinutí, což mu umožňuje plnit funkce konvenčního transformátoru s menším počtem vinutí. Díky své konstrukci mají autotransformátory vyšší účinnost a nižší cenu než výkonové transformátory. Mají však omezený výkon a mohou být náchylné ke zkratům.

Vícevinutý transformátor

Jedná se o typ výkonového transformátoru, který má několik vinutí na jednom jádru. Počet vinutí se může pohybovat od dvou do několika desítek. Každé vinutí má svou vlastní funkci a účel, například jedno vinutí může napájet zařízení, druhé může plnit funkci uzemnění a třetí může poskytovat ochranu před přepětím.

Zvyšovací transformátor

Zvyšovací transformátor je typ transformátoru, který zvyšuje výstupní napětí vzhledem ke vstupnímu napětí. Používá se v systémech dálkového přenosu energie ke snížení ztrát energie v síti.

Snižovací transformátor

Snižující transformátor je transformátor, který snižuje výstupní napětí vzhledem ke vstupnímu napětí. Snižující transformátory se široce používají v domácích spotřebičích, napájecích zdrojích zařízení a dalších aplikacích, kde je třeba snížit vysoké síťové napětí.

Toroidní transformátor

Jedná se o výkonový transformátor, který má tvar toroidu. Jeho jádro má tvar prstence, což zajišťuje nižší ztráty vířivými proudy a vyšší účinnost ve srovnání s transformátory s obdélníkovými jádry. Toroidní transformátory se běžně používají v napájecích zdrojích pro audio a video zařízení, stejně jako pro amatérské rádiové aplikace.

Třífázový transformátor

Jedná se o transformátor se třemi primárními a sekundárními vinutími, které jsou vzájemně zapojené do hvězdy nebo trojúhelníku. Třífázové transformátory se používají v třífázových elektrických sítích k převodu napětí a proudu mezi různými napěťovými úrovněmi.

Pulzní transformátor

Jedná se o speciální typ transformátoru, který převádí krátké napěťové impulsy na delší a výkonnější. Používá se v zařízeních, která vyžadují rychlou a přesnou konverzi úrovně signálu, jako jsou spínané zdroje, řídicí systémy a telekomunikační zařízení.

Izolační transformátor

Oddělovací transformátor je speciální typ výkonového transformátoru používaný k oddělení elektrických a uzemňovacích obvodů z bezpečnostních důvodů. Zajišťuje izolaci mezi obvody a zabraňuje úrazu elektrickým proudem v případě zkratu. Oddělovací transformátory se často používají ve zdravotnických zařízeních, laboratořích a na dalších místech, kde je vyžadován vysoký stupeň bezpečnosti.

Schéma transformátoru, zařízení

Transformátor se skládá z několika hlavních součástí: jádra, vinutí, chladicího systému, pouzdra a izolačních materiálů.

Jádro transformátoru

Jádro je hlavním prvkem transformátoru, na kterém jsou umístěna vinutí. Skládá se ze sady elektrotechnických ocelových desek, které poskytují minimální odpor vůči magnetickému toku a maximální indukčnost vinutí. Desky jádra jsou od sebe navzájem izolovány, aby se zabránilo vzniku vířivých proudů (Foucaultových proudů).

Vinutí transformátoru

Vinutí transformátoru jsou dráty navinuté kolem jádra. Primární vinutí přijímá vstupní napětí a sekundární vinutí vytváří výstupní napětí. Počet závitů každého vinutí určuje transformační poměr napětí. Primární vinutí má obvykle více závitů než sekundární vinutí.

Chladicí systém

Pro odvod tepla vznikajícího během provozu transformátoru se používají různé chladicí systémy. Mohou být přirozené (vzduchové) nebo nucené (kapalinové nebo plynové). V závislosti na typu chladicího systému může být transformátor otevřený nebo uzavřený.

Pouzdro transformátoru

Pouzdro slouží k ochraně vnitřních součástí před vnějšími vlivy a mechanickým poškozením. Umožňuje také instalaci transformátoru na montážní plochu nebo do racku.

Izolační materiály

Izolační materiály se používají k zajištění elektrické izolace mezi vinutími, jádrem a tělesem transformátoru. Chrání také součásti transformátoru před korozí a dalšími vnějšími vlivy.

V závislosti na konstrukci a účelu mohou mít transformátory další prvky, jako jsou teplotní senzory, ventilátory pro nucené chlazení, automatické regulátory napětí atd.

Vlastnosti

Mezi hlavní vlastnosti transformátoru patří:

• Napájení: Toto je součin vstupního napětí a vstupního proudu. Měří se ve wattech (W).
• Transformační poměr: Toto je poměr výstupního napětí ke vstupnímu napětí. Pokud je transformační poměr 1, pak se jedná o snižující transformátor, pokud je větší než 1, pak se jedná o zvyšující transformátor.
• Účinnost: Toto je poměr výstupního výkonu k vstupnímu výkonu. Čím vyšší je účinnost, tím menší jsou energetické ztráty v transformátoru.
• Indukčnost primárního vinutí: Toto je koeficient úměrnosti mezi proudem procházejícím vinutím a magnetickým tokem, který vytváří. Indukčnost se měří v henry (H).
• Vzájemná indukčnost mezi vinutími: Toto je koeficient charakterizující vztah mezi magnetickými toky vytvářenými proudy v různých vinutích. Měří se v mH (milihenry).
• Odpor vinutí: Toto je parametr, který určuje ztrátu energie v důsledku ohřevu vinutí, měřenou v ohmech (Ohm).
• Typ jádra: Součást může být vyrobena z různých materiálů, jako je elektrotechnická ocel, perminvar nebo ferit. Volba materiálu ovlivňuje indukčnost vinutí a energetické ztráty v jádře.
• Provozní frekvence: Většina transformátorů pracuje na frekvenci 50 nebo 60 Hz, ale existují i ty, které pracují na jiných frekvencích, například pulzní transformátory.
• Teplotní režim: Transformátory musí pracovat v určitém teplotním rozsahu, aby byl zajištěn spolehlivý provoz a dlouhá životnost.
• Třída izolace: Izolace mezi vinutími a jádrem musí odolat určitému napětí, aby se zabránilo průrazu izolace a zkratu.

Účinnost transformátoru

Účinnost transformátoru (faktor účinnosti) je poměr výkonu na výstupu transformátoru k výkonu na jeho vstupu. Ukazuje, jaká část spotřebované energie se přemění na užitečný výkon na výstupu.

Účinnost transformátoru závisí na následujících faktorech:

• Ztráty jádra: Hysterezní ztráty vznikají v důsledku remagnetizace jádra a ztráty vířivými proudy v důsledku výskytu Foucaultových proudů v jádře. Pro snížení těchto ztrát se používají materiály s nízkou magnetickou permeabilitou a vysokou elektrickou vodivostí.
• Ztráty při vytápění: vznikají v důsledku ohřevu vinutí transformátoru. K tomu dochází v důsledku toku proudu vinutími a závisí to na odporu vinutí a síle proudu. Pro snížení těchto ztrát se používají materiály s nízkým měrným odporem a vylepšenou konstrukcí vinutí.
• Magnetické ztráty: ztráty v důsledku rozptylu magnetického pole v okolním prostoru. Závisí na kvalitě sestavy transformátoru a jejím provedení.
• Elektrické ztráty: jsou spojeny s ohřevem vinutých vodičů v důsledku jejich elektrického odporu.
• Mechanické ztráty: ztráty v důsledku tření mezi pohyblivými částmi transformátoru.

Obecně platí, že pro zlepšení účinnosti transformátoru je nutné optimalizovat jeho konstrukci, používat materiály s nízkými ztrátami a zlepšit kvalitu montáže.

přetočit

Převíjení transformátoru je proces vytváření nebo obnovy vinutí na jádře transformátoru. Tento proces zahrnuje následující kroky:

• Výběr materiálu pro navíjení: Vinutí může být vyrobeno z mědi, hliníku nebo jiných vodivých materiálů. Volba závisí na požadavcích na transformátor a jeho provozních podmínkách.
• Výpočet počtu otáček: Záleží na napětí, proudu a výkonu transformátoru, stejně jako na typu jádra (laminované nebo páskové).
• Příprava jádra: Jádro může být laminované nebo páskované a musí být předem připraveno – očištěno od starého vinutí a izolace, zkontrolováno na vady a impregnováno speciálním lakem.
• Výroba rámu pro navíjení: K vytvoření rámu použijte elektrotechnický karton nebo speciální papír. Rám je nezbytný pro zajištění rovnoměrného rozložení závitů a zabránění jejich smíchání.
• Navíjení drátu: Drát je navinutý na rám a je nutné zajistit, aby závity byly rovnoměrně rozloženy a aby se vzájemně neprotínaly.
• Izolace vinutí: Po navinutí drátu je nutné na něj nanést izolaci, která jej ochrání před mechanickým poškozením a zabrání zkratům. K tomu se používají speciální izolační materiály, jako je lakovaná tkanina nebo elektrokartón.
• Instalace terminálů: Po izolaci vinutí se instalují svorky pro připojení ke zdroji napájení a zátěži. Svorky mohou být vyrobeny z měděných nebo hliníkových drátů, v závislosti na požadavcích.
• Sestavení transformátoru: Po dokončení všech fází převíjení a instalace svorek se transformátor smontuje a zkontroluje se jeho výkon.
• testy: Po montáži musí být transformátor otestován na funkčnost, musí být změřeny jeho parametry (odpor, indukčnost, kapacita) a musí být zkontrolována absence zkratů a dalších vad.

Provoz transformátoru

Fungování transformátoru je následující:

1. Před zapnutím je nutné zkontrolovat hladinu oleje, provozuschopnost všech součástí a stav uzemnění.
2. Po zapnutí je nutné nastavit zátěž transformátoru, která odpovídá jeho jmenovitému výkonu.
3. Během provozu je nutné sledovat teplotu, hladinu oleje a stav izolace.
4. Je nutné pravidelně provádět údržbu transformátoru, vyměňovat olej, filtry a kontrolovat stav vinutí.
5. Je také nutné provádět servis a opravy pomocných zařízení, jako jsou ventilátory, čerpadla a ventily.
6. Při provozu transformátoru je nutné dodržovat bezpečnostní předpisy.

Během provozu se vedou záznamy o provedených pracích a výměnách, což umožňuje sledovat stav transformátoru.