Трансформаторът е електромагнитно устройство, използвано за преобразуване на променлив ток с едно напрежение и честота в променлив ток с различно (или равно) напрежение и същата честота.
Съдържание
Устройството и работата на трансформатора
В най-простия случай трансформатор съдържа една първична намотка с броя на завоите W1 и един вторичен с броя на завоите W2. Енергията се подава към първичната намотка, товарът е свързан към вторичната. Преносът на енергия се извършва чрез електромагнитна индукция. За да се подобри електромагнитното свързване, в повечето случаи намотките се поставят върху затворена сърцевина (магнитна верига).
Ако към първичната намотка се приложи променливо напрежение U1, след това променлив ток I1, което създава магнитен поток Ф от същата форма в сърцевината.Този магнитен поток индуцира ЕМП във вторичната намотка. Ако към вторичната верига е свързан товар, вторичен ток I2.
Напрежението във вторичната намотка се определя от съотношението на завоите W1 и У2:
У2=U1*(W1/W2)=U1/k, където k е коефициент на трансформация.
Ако k<1, тогава U2>U1, а такъв трансформатор се нарича покачващ. Ако k>1, тогава U2<U1, такъв трансформаторът се нарича понижаване. Тъй като изходната мощност на трансформатора е равна на входната мощност (минус загубите в самия трансформатор), можем да кажем, че Pout \u003d Pin, U1*И1=U2*И2 и аз2=аз1*k=I1*(W1/W2). По този начин, в трансформатор без загуби, входното и изходното напрежение са право пропорционални на съотношението на завоите на намотката. И токовете са обратно пропорционални на това съотношение.
Един трансформатор може да има повече от една вторична намотка с различни съотношения. Така че, трансформатор за захранване на оборудване за домакински лампи от мрежа от 220 волта може да има една вторична намотка, например 500 волта за захранване на анодни вериги и 6 волта за захранване на вериги с нажежаема жичка. В първия случай k<1, във втория - k>1.
Трансформаторът работи само с променливо напрежение - за появата на EMF във вторичната намотка, магнитният поток трябва да се промени.
Видове ядра за трансформатори
На практика се използват сърцевини не само с посочената форма. В зависимост от предназначението на устройството, магнитните вериги могат да се изпълняват по различни начини.
Ядра на прътите
Магнитните вериги на нискочестотните трансформатори са изработени от стомана с изразени магнитни свойства.За да се намалят вихровите токове, ядрото се сглобява от отделни плочи, електрически изолирани една от друга. За работа на високи честоти се използват други материали, например ферити.
Разгледаното по-горе ядро се нарича ядро и се състои от два пръта. За еднофазни трансформатори се използват и трипръчкови магнитни вериги. Те имат по-малко магнитен поток на изтичане и по-висока ефективност. В този случай както първичната, така и вторичната намотка са разположени върху централния прът на сърцевината.
Трифазните трансформатори също се изработват на трипръчкови ядра. Те имат първичната и вторичната намотка на всяка фаза, всяка от които е разположена на собственото си ядро. В някои случаи се използват петпръчкови магнитни вериги. Намотките им са разположени по абсолютно същия начин - всяка първична и вторична на собствен прът, а двата крайни пръта от всяка страна са предназначени само за затваряне на магнитни потоци в определени режими.
бронирани
В бронираната сърцевина са направени еднофазни трансформатори - и двете намотки са поставени върху централното ядро на магнитната верига. Магнитният поток в такова ядро се затваря подобно на конструкция с три пръчки - през страничните стени. В този случай потокът на изтичане е много малък.
Предимствата на този дизайн включват известно увеличаване на размера и теглото поради възможността за по-плътно запълване на прозореца на сърцевината с намотка, така че е изгодно да се използват бронирани сърцевини за производството на трансформатори с ниска мощност. Това също води до по-къса магнитна верига, което води до намаляване на загубите при празен ход.
Недостатъкът е по-трудният достъп до намотките за ревизия и ремонт, както и повишената сложност на производството на изолация за високо напрежение.
Тороидална
В тороидалните ядра магнитният поток е напълно затворен вътре в ядрото и практически няма изтичане на магнитен поток. Но такива трансформатори са трудни за навиване, така че се използват доста рядко, например в регулируеми автотрансформатори с ниска мощност или в високочестотни устройства, където устойчивостта на шум е важна.
Автотрансформатор
В някои случаи е препоръчително да се използват такива трансформатори, които имат не само магнитна връзка между намотките, но и електрическа. Това означава, че в устройствата за повишаване, първичната намотка е част от вторичната, а в устройствата за понижаване - вторичната част от първичната. Такова устройство се нарича автотрансформатор (AT).
Понижаващият автотрансформатор не е прост делител на напрежението - магнитната връзка също участва в преноса на енергия към вторичната верига.
Предимствата на автотрансформаторите са:
- по-малки загуби;
- възможност за плавно регулиране на напрежението;
- по-малки показатели за тегло и размер (автотрансформатор е по-евтин, по-лесно е да го транспортирате);
- по-ниска цена поради по-малкото необходимо количество материал.
Недостатъците включват необходимостта от използване на изолация на двете намотки, предназначени за по-високо напрежение, както и липсата на галванична изолация между входа и изхода, която може да прехвърли ефектите на атмосферните явления от първичната верига към вторичната. В този случай елементите на вторичната верига не могат да бъдат заземени.Също така, недостатъкът на AT се счита за увеличени токове на късо съединение. За трифазни автотрансформатори намотките обикновено са свързани в звезда със заземена неутрала, възможни са и други схеми на свързване, но твърде сложни и тромави. Това също е недостатък, който стеснява обхвата на автотрансформаторите.
Приложение на трансформатори
Свойството на трансформаторите да увеличават или намаляват напрежението се използва широко в индустрията и в ежедневието.
Трансформация на напрежението
Към нивото на промишленото напрежение на различните етапи се налагат различни изисквания. При производството на електроенергия е нерентабилно да се използват генератори с високо напрежение по различни причини. Ето защо, например, генератори за 6 ... 35 kV се използват във водноелектрически централи. За да транспортирате електричество, напротив, се нуждаете от повишено напрежение - от 110 kV до 1150 kV, в зависимост от разстоянието. Освен това това напрежение отново се намалява до нивото от 6 ... 10 kV, разпределя се към локалните подстанции, откъдето се намалява до 380 (220) волта и идва до крайния потребител. В домакински и промишлени уреди тя също трябва да бъде намалена, обикновено до 3 ... 36 волта.
Всички тези операции се извършват с с помощта на силови трансформатори. Те могат да бъдат сухи или на маслена основа. Във втория случай сърцевината с намотки се поставя в резервоар с масло, което е изолираща и охлаждаща среда.
Галванична изолация
Галваничната изолация повишава безопасността на електрическите уреди. Ако устройството се захранва не директно от мрежа 220 волта, където един от проводниците е свързан към земята, а чрез трансформатор 220/220 волта, тогава захранващото напрежение ще остане същото.Но при едновременно докосване на земята и вторичните тоководещи части на веригата за протичане на тока няма да има поток и опасността от токов удар ще бъде много по-ниска.
Измерване на напрежението
Във всички електрически инсталации е необходимо да се контролира нивото на напрежение. Ако се използва клас на напрежение до 1000 волта, тогава волтметрите се свързват директно към части под напрежение. В електрически инсталации над 1000 волта това няма да работи - устройствата, които могат да издържат на такова напрежение, се оказват твърде обемисти и опасни в случай на повреда на изолацията. Следователно в такива системи волтметрите се свързват към проводници с високо напрежение чрез трансформатори с удобен коефициент на трансформация. Например, за мрежи 10 kV се използват инструментални трансформатори 1:100, изходът е стандартно напрежение от 100 волта. Ако напрежението на първичната намотка се промени по амплитуда, то едновременно се променя и на вторичната. Скалата на волтметъра обикновено е градуирана в диапазона на първичното напрежение.
Трансформаторът е доста сложен и скъп елемент за производство и поддръжка. Въпреки това, в много области тези устройства са незаменими и няма алтернатива за тях.
Подобни статии:
