Un transformator este un dispozitiv electromagnetic folosit pentru a converti curentul alternativ de o tensiune și o frecvență în curent alternativ de o tensiune diferită (sau egală) și aceeași frecvență.
Conţinut
Dispozitivul și funcționarea transformatorului
În cel mai simplu caz transformator conține o înfășurare primară cu numărul de spire W1 și unul secundar cu numărul de spire W2. Energia este furnizată înfășurării primare, sarcina este conectată la secundar. Transferul de energie se face prin inducție electromagnetică. Pentru a îmbunătăți cuplarea electromagnetică, în majoritatea cazurilor, înfășurările sunt plasate pe un miez închis (circuit magnetic).
Dacă înfăşurării primare se aplică o tensiune alternativă U1, apoi un curent alternativ I1, care creează un flux magnetic Ф de aceeași formă în miez.Acest flux magnetic induce un EMF în înfășurarea secundară. Dacă o sarcină este conectată la circuitul secundar, un curent secundar I2.
Tensiunea din înfășurarea secundară este determinată de raportul spirelor W1 și W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, unde k este raportul de transformare.
Dacă k<1, atunci U2>U1, iar un astfel de transformator se numește step-up. Dacă k>1, atunci U2<U1, asa transformatorul este numit step down. Deoarece puterea de ieșire a transformatorului este egală cu puterea de intrare (minus pierderile din transformatorul însuși), putem spune că Pout \u003d Pin, U1*Eu1=U2*Eu2 și eu2=I1*k=I1*(W1/W2). Astfel, într-un transformator fără pierderi, tensiunile de intrare și de ieșire sunt direct proporționale cu raportul spirelor înfășurării. Și curenții sunt invers proporționali cu acest raport.
Un transformator poate avea mai mult de o înfășurare secundară cu rapoarte diferite. Deci, un transformator pentru alimentarea echipamentelor de lămpi de uz casnic dintr-o rețea de 220 de volți poate avea o înfășurare secundară, de exemplu, 500 de volți pentru alimentarea circuitelor anodice și 6 volți pentru alimentarea circuitelor incandescente. În primul caz k<1, în al doilea - k>1.
Transformatorul funcționează numai cu tensiune alternativă - pentru apariția EMF în înfășurarea secundară, fluxul magnetic trebuie să se modifice.
Tipuri de miezuri pentru transformatoare
În practică, se folosesc miezuri nu numai de forma indicată. În funcție de scopul dispozitivului, circuitele magnetice pot fi realizate în moduri diferite.
Miezuri de tije
Circuitele magnetice ale transformatoarelor de joasă frecvență sunt realizate din oțel cu proprietăți magnetice pronunțate.Pentru a reduce curenții turbionari, matricea de miez este asamblată din plăci separate izolate electric unele de altele. Pentru a lucra la frecvențe înalte, se folosesc alte materiale, de exemplu, ferite.
Miezul considerat mai sus se numește miez și este format din două tije. Pentru transformatoarele monofazate se folosesc și circuite magnetice cu trei tije. Au mai puțin flux de scurgeri magnetice și eficiență mai mare. În acest caz, atât înfășurările primare, cât și cele secundare sunt situate pe tija centrală a miezului.
Transformatoarele trifazate sunt de asemenea realizate pe miezuri cu trei tije. Au înfășurările primare și secundare ale fiecărei faze, fiecare situată pe propriul nucleu. În unele cazuri, se folosesc circuite magnetice cu cinci tije. Înfășurările lor sunt situate exact în același mod - fiecare primar și secundar pe propria tijă, iar cele două tije extreme de pe fiecare parte sunt destinate doar închiderii fluxurilor magnetice în anumite moduri.
blindat
În miezul blindat se realizează transformatoare monofazate - ambele bobine sunt plasate pe miezul central al circuitului magnetic. Fluxul magnetic într-un astfel de miez se închide în mod similar cu o construcție cu trei tije - prin pereții laterali. Fluxul de scurgere este foarte mic în acest caz.
Avantajele acestui design includ o oarecare creștere în dimensiune și greutate datorită posibilității de umplere mai densă a ferestrei de miez cu înfășurare, de aceea este avantajoasă utilizarea miezurilor blindate pentru fabricarea transformatoarelor de putere redusă. Acest lucru duce, de asemenea, la un circuit magnetic mai scurt, ceea ce duce la o reducere a pierderilor fără sarcină.
Dezavantajul este accesul mai dificil la înfășurări pentru revizuire și reparare, precum și complexitatea crescută a izolației de fabricație pentru tensiuni înalte.
toroidal
În miezurile toroidale, fluxul magnetic este complet închis în interiorul miezului și practic nu există flux magnetic de scurgere. Dar astfel de transformatoare sunt greu de bobinat, așa că sunt folosite destul de rar, de exemplu, în autotransformatoare reglabile cu putere redusă sau în dispozitive de înaltă frecvență unde imunitatea la zgomot este importantă.
Autotransformator
În unele cazuri, este recomandabil să folosiți astfel de transformatoare, care au nu numai o legătură magnetică între înfășurări, ci și una electrică. Adică, în dispozitivele de creștere, înfășurarea primară este parte a secundarului, iar în dispozitivele de coborâre, partea secundară a primarului. Un astfel de dispozitiv se numește autotransformator (AT).
Un autotransformator descendente nu este un simplu divizor de tensiune - cuplarea magnetică este, de asemenea, implicată în transferul de energie către circuitul secundar.
Avantajele autotransformatoarelor sunt:
- pierderi mai mici;
- posibilitatea de reglare lină a tensiunii;
- indicatori de greutate și dimensiune mai mici (un autotransformator este mai ieftin, este mai ușor de transportat);
- cost mai mic datorită cantității mai mici de material necesare.
Dezavantajele includ necesitatea folosirii izolației ambelor înfășurări, concepute pentru o tensiune mai mare, precum și lipsa izolației galvanice între intrare și ieșire, care poate transfera efectele fenomenelor atmosferice de la circuitul primar la cel secundar. În acest caz, elementele circuitului secundar nu pot fi împământate.De asemenea, dezavantajul AT este considerat a fi curenții de scurtcircuit crescuti. Pentru autotransformatoarele trifazate, înfășurările sunt de obicei conectate într-o stea cu un neutru împământat, sunt posibile alte scheme de conectare, dar prea complicate și greoaie. Acesta este, de asemenea, un dezavantaj care restrânge domeniul de aplicare al autotransformatoarelor.
Aplicarea transformatoarelor
Proprietatea transformatoarelor de a crește sau scădea tensiunea este utilizată pe scară largă în industrie și în viața de zi cu zi.
Transformarea tensiunii
Nivelul tensiunii industriale sunt impuse cerințe diferite în diferite etape. Atunci când se generează energie electrică, nu este rentabilă să se utilizeze generatoare de înaltă tensiune din diverse motive. Prin urmare, de exemplu, generatoarele pentru 6 ... 35 kV sunt utilizate la centralele hidroelectrice. Pentru a transporta energie electrică, dimpotrivă, aveți nevoie de o tensiune crescută - de la 110 kV la 1150 kV, în funcție de distanță. Mai departe, această tensiune este din nou redusă la nivelul de 6 ... 10 kV, distribuită la substațiile locale, de unde se reduce la 380 (220) volți și ajunge la consumatorul final. În aparatele de uz casnic și industriale, acesta trebuie și el coborât, de obicei la 3 ... 36 volți.
Toate aceste operațiuni se efectuează cu folosind transformatoare de putere. Pot fi uscate sau pe bază de ulei. În al doilea caz, miezul cu înfășurări este plasat într-un rezervor cu ulei, care este un mediu izolator și de răcire.
Izolarea galvanică
Izolarea galvanică mărește siguranța aparatelor electrice. Dacă dispozitivul este alimentat nu direct de la o rețea de 220 de volți, unde unul dintre conductori este conectat la pământ, ci printr-un transformator de 220/220 de volți, atunci tensiunea de alimentare va rămâne aceeași.Dar, odată cu atingerea simultană a pământului și a părților secundare ale circuitului care transportă curent pentru fluxul de curent, nu va exista un flux de curent, iar pericolul de șoc electric va fi mult mai mic.
Măsurarea tensiunii
În toate instalațiile electrice este necesar să se controleze nivelul tensiunii. Dacă se utilizează o clasă de tensiune de până la 1000 de volți, atunci voltmetrele sunt conectate direct la părțile sub tensiune. În instalațiile electrice de peste 1000 de volți, acest lucru nu va funcționa - dispozitivele care pot rezista la o astfel de tensiune se dovedesc a fi prea voluminoase și nesigure în cazul unei defecțiuni a izolației. Prin urmare, în astfel de sisteme, voltmetrele sunt conectate la conductori de înaltă tensiune prin transformatoare cu un raport de transformare convenabil. De exemplu, pentru rețelele de 10 kV, se folosesc transformatoare de instrument 1:100, ieșirea este o tensiune standard de 100 volți. Dacă tensiunea de pe înfășurarea primară se modifică în amplitudine, se schimbă simultan pe secundar. Scara voltmetrului este de obicei gradată în domeniul de tensiune primară.
Transformatorul este un element destul de complex și costisitor pentru producție și întreținere. Cu toate acestea, în multe zone aceste dispozitive sunt indispensabile și nu există nicio alternativă la ele.
Articole similare:
