En transformator er en elektromagnetisk enhet som brukes til å konvertere vekselstrøm av en spenning og frekvens til vekselstrøm med en annen (eller lik) spenning og samme frekvens.
Innhold
Enheten og driften av transformatoren
I det enkleste tilfellet transformator inneholder én primærvikling med antall omdreininger W1 og en sekundær med antall svinger W2. Energi tilføres primærviklingen, lasten kobles til sekundæren. Overføringen av energi skjer ved elektromagnetisk induksjon. For å forbedre elektromagnetisk kobling er viklingene i de fleste tilfeller plassert på en lukket kjerne (magnetisk krets).
Hvis en vekselspenning U påføres primærviklingen1, deretter en vekselstrøm I1, som skaper en magnetisk fluks Ф av samme form i kjernen.Denne magnetiske fluksen induserer en EMF i sekundærviklingen. Hvis en last er koblet til sekundærkretsen, vil en sekundærstrøm I2.
Spenningen i sekundærviklingen bestemmes av forholdet mellom svingene W1 og W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, hvor k er transformasjonsforhold.
Hvis k<1, så U2>U1, og en slik transformator kalles step-up. Hvis k>1, så U2<U1, slikt transformatoren kalles step down. Siden utgangseffekten til transformatoren er lik inngangseffekten (minus tapene i selve transformatoren), kan vi si at Pout \u003d Pin, U1*JEG1=U2*JEG2 og jeg2=jeg1*k=I1*(W1/W2). Således, i en tapsfri transformator, er inngangs- og utgangsspenningene direkte proporsjonale med forholdet mellom viklingssvingene. Og strømmene er omvendt proporsjonale med dette forholdet.
En transformator kan ha mer enn én sekundærvikling med forskjellige forhold. Så en transformator for strømforsyning av husholdningslampeutstyr fra et 220 volt nettverk kan ha en sekundær vikling, for eksempel 500 volt for å drive anodekretser og 6 volt for å drive glødekretser. I det første tilfellet k<1, i det andre - k>1.
Transformatoren fungerer bare med vekselspenning - for forekomsten av EMF i sekundærviklingen må den magnetiske fluksen endres.
Typer kjerner for transformatorer
I praksis brukes ikke bare kjerner med den angitte formen. Avhengig av formålet med enheten, kan magnetiske kretser utføres på forskjellige måter.
Stangkjerner
De magnetiske kretsene til lavfrekvente transformatorer er laget av stål med uttalte magnetiske egenskaper.For å redusere virvelstrømmer, er kjernegruppen satt sammen fra separate plater elektrisk isolert fra hverandre. For å jobbe med høye frekvenser brukes andre materialer, for eksempel ferritt.
Kjernen vurdert ovenfor kalles en kjerne og består av to stenger. For enfasede transformatorer brukes også trestavs magnetiske kretser. De har mindre magnetisk lekkasjefluks og høyere effektivitet. I dette tilfellet er både primær- og sekundærviklingene plassert på den sentrale stangen til kjernen.
Trefasetransformatorer er også laget på tre-stavskjerner. De har primær- og sekundærviklingene til hver fase, hver plassert på sin egen kjerne. I noen tilfeller brukes fem-stavs magnetiske kretser. Deres viklinger er plassert på nøyaktig samme måte - hver primær og sekundær på sin egen stang, og de to ekstreme stengene på hver side er kun beregnet på å lukke magnetiske flukser i visse moduser.
pansret
I den pansrede kjernen lages enfasetransformatorer - begge spoler er plassert på den sentrale kjernen av magnetkretsen. Den magnetiske fluksen i en slik kjerne lukkes på samme måte som en trestavskonstruksjon - gjennom sideveggene. Lekkasjefluksen er veldig liten i dette tilfellet.
Fordelene med denne designen inkluderer en viss økning i størrelse og vekt på grunn av muligheten for tettere fylling av kjernevinduet med vikling, så det er fordelaktig å bruke pansrede kjerner for fremstilling av laveffekttransformatorer. Dette resulterer også i en kortere magnetisk krets, noe som fører til en reduksjon i tomgangstap.
Ulempen er vanskeligere tilgang til viklingene for revisjon og reparasjon, samt den økte kompleksiteten ved å produsere isolasjon for høyspenninger.
Toroidal
I toroidale kjerner er den magnetiske fluksen helt lukket inne i kjernen, og det er praktisk talt ingen lekkasjemagnetisk fluks. Men slike transformatorer er vanskelige å vinde, så de brukes ganske sjelden, for eksempel i laveffekt justerbare autotransformatorer eller i høyfrekvente enheter der støyimmunitet er viktig.
Autotransformator
I noen tilfeller er det tilrådelig å bruke slike transformatorer, som ikke bare har en magnetisk forbindelse mellom viklingene, men også en elektrisk. Det vil si at i step-up-enheter er primærviklingen en del av sekundæren, og i step-down-enheter er den sekundære delen av primæren. En slik enhet kalles en autotransformator (AT).
En nedtrappingsautotransformator er ikke en enkel spenningsdeler - magnetisk kobling er også involvert i overføringen av energi til sekundærkretsen.
Fordelene med autotransformatorer er:
- mindre tap;
- muligheten for jevn spenningsregulering;
- mindre vekt- og størrelsesindikatorer (en autotransformator er billigere, det er lettere å transportere den);
- lavere kostnad på grunn av den mindre nødvendige mengden materiale.
Ulempene inkluderer behovet for å bruke isolasjon av begge viklingene, designet for høyere spenning, samt mangelen på galvanisk isolasjon mellom inngangen og utgangen, som kan overføre effekten av atmosfæriske fenomener fra primærkretsen til sekundæren. I dette tilfellet kan ikke elementene i sekundærkretsen jordes.Også ulempen med AT anses å være økte kortslutningsstrømmer. For trefasede autotransformatorer er viklingene vanligvis koblet i en stjerne med en jordet nøytral, andre tilkoblingsordninger er mulige, men for kompliserte og tungvinte. Dette er også en ulempe som begrenser omfanget av autotransformatorer.
Bruk av transformatorer
Egenskapen til transformatorer for å øke eller redusere spenning er mye brukt i industrien og i hverdagen.
Spenningstransformasjon
Det stilles ulike krav til nivået på industriell spenning på ulike stadier. Ved produksjon av elektrisitet er det ulønnsomt å bruke høyspentgeneratorer av ulike årsaker. Derfor brukes for eksempel generatorer for 6 ... 35 kV ved vannkraftverk. For å transportere strøm, tvert imot, trenger du en økt spenning - fra 110 kV til 1150 kV, avhengig av avstanden. Videre reduseres denne spenningen igjen til nivået 6 ... 10 kV, distribuert til lokale understasjoner, hvorfra den reduseres til 380 (220) volt og kommer til sluttforbrukeren. I husholdnings- og industriapparater må den også senkes, vanligvis til 3 ... 36 volt.
Alle disse operasjonene utføres med ved bruk av krafttransformatorer. De kan være tørre eller oljebaserte. I det andre tilfellet er kjernen med viklinger plassert i en tank med olje, som er et isolerende og kjølemedium.
Galvanisk isolasjon
Galvanisk isolasjon øker sikkerheten til elektriske apparater. Hvis enheten ikke drives direkte fra et 220 volt nettverk, hvor en av lederne er koblet til bakken, men gjennom en 220/220 volt transformator, vil forsyningsspenningen forbli den samme.Men med samtidig berøring av jorden og sekundære strømførende deler av kretsen for strømstrømmen, vil det ikke være noen strømflyt, og faren for elektrisk støt vil være mye lavere.
Spenningsmåling
I alle elektriske installasjoner er det nødvendig å kontrollere spenningsnivået. Hvis det brukes en spenningsklasse opp til 1000 volt, kobles voltmetrene direkte til spenningsførende deler. I elektriske installasjoner over 1000 volt vil dette ikke fungere - enheter som tåler en slik spenning viser seg å være for klumpete og utrygge ved isolasjonsbrudd. Derfor, i slike systemer, er voltmetre koblet til høyspentledere gjennom transformatorer med et praktisk transformasjonsforhold. For eksempel, for 10 kV-nettverk, brukes instrumenttransformatorer 1:100, utgangen er en standardspenning på 100 volt. Hvis spenningen på primærviklingen endres i amplitude, endres den samtidig på sekundærviklingen. Voltmeterskalaen er vanligvis gradert i primærspenningsområdet.
Transformatoren er et ganske komplekst og kostbart element for produksjon og vedlikehold. Imidlertid er disse enhetene uunnværlige på mange områder, og det er ikke noe alternativ til dem.
Lignende artikler:
