Princip činnosti transformátoru: na jakém zákoně je založen, klasifikace, účel zařízení

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 hlavním prvkem celého moderního energetického systému. V tomto článku budeme hovořit o konstrukci a typech transformátorů, principech činnosti a praktické aplikaci.

Co je to transformátor

Transformátor je speciální zařízení vynalezené k přeměně napětí a jeho přenosu na velké vzdálenosti bez změny frekvence proudu.

Transformátor je statické zařízení, protože nemá žádné pohyblivé části. Zařízení pracuje na střídavý proud a je založeno na principu elektromagnetické indukce.

Hlavní úkoly těchto zařízení jsou:

1. Přenos elektřiny na vzdálenosti.
2. Zajištění potřebného spínacího obvodu při převodu zařízení a přizpůsobení napětí na vstupu a výstupu zařízení.
3. Napájení v obvodech různých elektrických, domácích, televizních a rozhlasových zařízení.

Tato zařízení jsou široce používána ve všech oblastech a průmyslových odvětvích, a to:

• v energetice;
• v elektrotechnice;
• ve strojírenství;
• o dopravě.

Když se objevil, historie stvoření

Vytvoření prvního transformátoru je spojeno se jmény a vývojem vědců z různých zemí:

1. Anglický fyzik M. Faraday v roce 1831 objevil fenomén elektromagnetické indukce, který je základem činnosti elektrického transformátoru.
2. Němec G. Ruhmkorff v roce 1848 vynalezl indukční cívku, která je považována za prototyp transformátoru.
3. Ruský inženýr P. Jabločkov získal v roce 1876 patent na vynález zařízení, které se stalo prvním transformátorem střídavého proudu (šlo o zařízení s otevřeným jádrem).
4. Angličané D. a E. Hopkinsonovi (bratři) vytvořili v roce 1884 první transformátory s uzavřenými jádry.
5. D. Swinburne navrhl umístit zařízení do nádoby s olejem pro chlazení zařízení, což výrazně zvýšilo spolehlivost transformátoru (konec 1880. let XNUMX. století).
6. Systém třífázového střídavého proudu byl patentován ve Spojených státech v roce 1888 Nikolou Teslou.

Následný vývoj vědců z celého světa se zaměřil na zlepšení vlastností zařízení a snížení ztrát napětí v zařízení.

Konstrukce a princip činnosti transformátoru

Nejjednodušší transformátor se skládá ze dvou vinutí s izolovanými dráty, které jsou navinuty na ocelovém jádru skládajícím se z několika vrstev. Střídavý proud je přiváděn do jednoho z vinutí, které se nazývá primární. Druhý (sekundární) je připojen k zátěži.

Princip činnosti Elektrický transformátor je docela jednoduchý: když je k primárnímu vinutí připojen střídavý proud, kolem železné tyče, na které je navinut, se objeví magnetické pole. Vlivem elektromotorické síly indukce se při připojení sekundárního vinutí k zátěži přenáší proud.

Značení, dekódování hlavních parametrů

Všechny transformátory jsou označeny speciálními značkami, které umožňují určit typ zařízení, jeho provozní podmínky, jmenovitý výkon a napětí. Ruská a zahraniční zařízení jsou označena odlišně. V Ruské federaci se častěji používají zařízení vyrobená v souladu s GOST.

Informace o transformátoru jsou umístěny na kovovém štítku na těle zařízení, aplikovaném pomocí gravírování nebo embosování:

• název závodu, kde bylo zařízení vyrobeno;
• Rok manufaktury;
• tovární číslo;
• číslo normy, které zařízení odpovídá;
• indikátor jmenovitého výkonu (u třífázových transformátorů je uveden pro každé vinutí);
• indikátor jmenovitého proudu (pro všechna vinutí);
• počet fází;
• aktuální frekvence;
• schéma zapojení vinutí;
• požadavky na instalaci – vnitřní nebo venkovní;
• způsob chlazení;
• další informace, v závislosti na typu chlazení zařízení.

Typy transformátorů podle typu magnetického obvodu

Magnetické jádro je zařízení, které zesiluje magnetické toky vznikající elektrickým proudem ve vinutích transformátorů.

Magnetická jádra (jádra) jsou nedílnou součástí různých elektrických zařízení: tlumivek, relé atd.

V moderním světě existují různé konstrukce transformátorů vytvořených pro specifické účely a přenášejících napětí různých výkonů.

Podle typu jader jsou zařízení:

• tyčový typ (obvykle používaný pro třífázové transformátory);
• typ pancéřování (pro třífázová zařízení);
• toroidního typu (používá se v transformátorech umístěných v různých elektrických zařízeních).

В jádro Tento typ využívá vertikální jádra se stupňovitým průřezem, která tvoří kruh s vodorovnými třmeny (část jader bez vinutí). Vinutí v takových magnetických jádrech jsou umístěna na vertikálních prvcích. Základním systémem je uzavřený okruh.

В obrněný typu, jádra mají obdélníkový průřez a jsou umístěna ve vodorovné poloze. Vinutí jsou také vyrobena v obdélníkovém tvaru. Tento design je poměrně složitý na výrobu, takže se používá zřídka, na speciálních typech zařízení.

В toroidní (kroužek) typ použijte prstencové pásky. Používají se k vytváření jednofázových výkonových transformátorů. Jádra jsou vyrobena z elektrooceli o tloušťce 0,3 a 0,35 mm, vyrobené speciální technologií. Materiálem pro toroidní magnetická jádra je ferit nebo karbonylové železo. Taková jádra jsou široce používána v rádiové elektronice.

Konstrukce magnetických jader se liší způsobem připojení jader k části jader, která nemá vinutí.

• В zadek připojení, části magnetických obvodů jsou sestaveny samostatně. Nejprve se na vertikální jádra nainstalují vinutí, poté se pomocí kolíků připojí k horním třmenům. Spodní horizontální třmen je namontován. V tomto provedení můžete snadno měnit vinutí.
• В smíšené Po spojení jsou tyče a třmeny vrstvené desky. Díly se spojují vložením prvků do sebe v prostorech mezi vrstvami jádra. Tento design je obtížnější sestavit.

Klasifikace transformátorů

• step-up (pokud je napětí na sekundárním vinutí větší než na primárním);
• step-down (pokud je napětí na druhé cívce menší než na první).

Napětí na primární a výstupní cívce závisí na poměru počtu závitů vinutí na nich. Čím více jich je, tím vyšší je napětí. Pokud má tedy vstupní vinutí více závitů než výstupní vinutí, bude mít vyšší napětí a naopak.

Transformátory mají širokou klasifikaci podle jejich účelu:

1. Napájení. Účel výkonových transformátorů je jasný již z názvu. Jedná se především o vysoce výkonná zařízení používaná v elektrických přenosových vedeních k přeměně elektrické energie a jejímu přenosu ke konečnému spotřebiteli. Použití takových zařízení je možné ve vysokonapěťových třífázových sítích.
2. Autotransformátor. Jedná se o zařízení, ve kterém jsou primární a sekundární vinutí přímo navzájem spojeny. Toto zařízení se vyznačuje třemi svorkami. Transformátory tohoto typu mají zvýšené riziko vysokonapěťového šoku do zátěže. Proto musí být spolehlivě uzemněny.
3. Transformátor napětí nebo měření transformátor. U takových zařízení je primární vinutí zapojeno sériově do elektrického obvodu s jinými zařízeními a je galvanicky odděleno. Primární okruh je řízen změnou jednofázové zátěže a sekundární cívka se používá v poplachovém nebo přístrojovém obvodu. U tohoto typu zařízení sekundární vinutí pracuje v režimu zkratu.
4. Napěťový transformátor. Jedná se o zařízení snižující napětí. Obvykle se používá k izolaci ochranných obvodů pro měřicí přístroje.
5. Puls. Jedná se o zařízení určené k převodu impulsů při zachování jejich tvaru. Zařízení mění amplitudu a polaritu pulzních signálů bez ovlivnění tvaru.
6. Svařování. Pro provoz takového zařízení potřebujete vysoký svařovací proud, kterým zařízení taví kov. Síťové napětí je sníženo na bezpečnou úroveň.
7. Oddělení. Hlavní charakteristikou takového zařízení je absence elektrického spojení mezi obvody. Zařízení pro oddělování energie se používají ke zlepšení bezpečnosti elektrických sítí a k zajištění galvanického oddělení mezi uzly elektrického obvodu.
8. Koordinátor. Takové zařízení se používá k přizpůsobení odporu v elektronických obvodech. Zařízení poskytuje minimální zkreslení signálu a vytváří izolaci mezi uzly zařízení v elektrickém obvodu.
9. Špičkový transformátor. Zařízení převádí sinusový proud na pulzní napětí. Polarita výstupního napětí se mění každých půl cyklu.
10. Vzduch. Jedná se o suchý chladicí výkonový transformátor. Tento typ zařízení se obvykle používá k převodu napětí v síti, včetně třífázových obvodů.
11. Mastný. Jedná se o výkonový transformátor, ve kterém dochází k chlazení pomocí speciálního oleje. Taková zařízení se používají při vysokém výstupním výkonu (nad 6 kV), aby se zabránilo zničení izolace vinutí v důsledku přehřátí.
12. Dvojitý plyn. Zařízení má naprosto identické cívky, mezi kterými je vytvořen protiindukční filtr. Toto zařízení je účinnější než škrticí klapka.
13. Rotující. Zařízení se skládá ze dvou polovin jádra s cívkami, které se vůči sobě otáčejí. Výměna signálu v zařízení probíhá při vysokých otáčkách.

Provozní režimy transformátoru

Existují 3 hlavní provozní režimy transformátorů:

1. Režim nečinnosti, ve kterém jsou svorky sekundárního vinutí otevřené a zátěžový odpor je roven nekonečnu. Měření proudu, který protéká primárním vinutím, umožňuje vypočítat účinnost transformátoru. Když transformátor pracuje v tomto režimu, lze vypočítat transformační poměr a ztráty v jádře.
2. Pracovní režim nebo režim zatížení – jedná se o režim, ve kterém sekundární obvod přijímá napětí, proud a odpor z primárního.
3. Režim zkratu – jedná se o režim, ve kterém jsou konce sekundárního vinutí zkratovány, výkon je soustředěn v obvodech vinutí a zatěžovací odpor je nulový. V tomto stavu je možné určit ztráty, které jsou vynaloženy na ohřev vinutí.

Stojíte před obtížným tématem? Není třeba panikařit! Kvalifikovaní odborníci Phoenix.Help jsou připraveni pomoci v krátké době v různých oborech.