Princip činnosti transformátoru. Účel a zařízení výkonových transformátorů

Transformátor je statické elektromagnetické zařízení se dvěma (nebo více) vinutími, určené nejčastěji ke konverzi střídavý proud jedno napětí na střídavý proud jiného napětí. Transformace energie v transformátoru se provádí střídavým magnetickým polem. Transformátory jsou široce používány v přenosu elektrická energie na dlouhé vzdálenosti, jeho distribuci mezi přijímači, dále v různých usměrňovacích, zesilovacích, signalizačních a dalších zařízeních.

Při přenosu elektrické energie z elektrárny ke spotřebitelům způsobuje síla proudu ve vedení energetické ztráty v tomto vedení a spotřebu barevných kovů pro jeho zařízení. Pokud se při stejném přenášeném výkonu zvýší napětí, sníží se ve stejném rozsahu i síla proudu, a proto bude možné použít vodiče s menším průřezem. Tím se sníží spotřeba barevných kovů při instalaci elektrického vedení a sníží se v něm energetické ztráty.

Elektrická energie se vyrábí v elektrárnách synchronní generátory při napětí 11-20 kV; v některých případech se používá napětí 30-35 kV. Přestože jsou tato napětí příliš vysoká pro přímé použití ve výrobě a domácích aplikacích, nejsou dostatečná pro ekonomický přenos elektřiny na dlouhé vzdálenosti. Další zvýšení napětí v elektrických vedeních (až 750 kV nebo více) se provádí pomocí stupňovitých transformátorů.

Přijímače elektrické energie (žárovky, elektromotory atd.) se z bezpečnostních důvodů spoléhají na nižší napětí (110-380 V). Kromě toho je výroba elektrických přístrojů, nástrojů a strojů pro vysoké napětí spojena se značnými konstrukčními obtížemi, protože části těchto zařízení, které vedou proud, vyžadují zesílenou izolaci při vysokém napětí. Proto vysoké napětí, při kterém se přenáší energie, nemůže být přímo použito k napájení přijímačů a je k nim přiváděno přes snižovací transformátory.

Střídavá elektrická energie na cestě z elektrárny, kde se vyrábí, ke spotřebiteli musí být transformována 3-4krát. V distribuční sítě snižující transformátory nejsou zatěžovány současně a ne na plnou kapacitu. Proto je celkový výkon transformátorů používaných pro přenos a distribuci elektřiny 7-8x větší než výkon generátorů instalovaných v elektrárnách.

Transformace energie v transformátoru se provádí střídavým magnetickým polem pomocí magnetického obvodu.

Napětí primárního a sekundárního vinutí nejsou obvykle stejná. Pokud je primární napětí menší než sekundární, transformátor se nazývá step-up, pokud je větší než sekundární - step-down. Jakýkoli transformátor může být použit jak pro zvýšení, tak pro snížení. Zvyšovací transformátory se používají k přenosu elektřiny na velké vzdálenosti a snižovací transformátory se používají k její distribuci mezi spotřebitele.

Podle účelu se rozlišují výkonové transformátory, měřicí transformátory napětí a proudové transformátory.

Výkonové transformátory přeměňovat střídavý proud jednoho napětí na střídavý proud jiného napětí pro zásobování spotřebitelů elektřinou. V závislosti na účelu mohou být zvedání nebo spouštění. V distribučních sítích se zpravidla používají třífázové dvouvinuté klesající transformátory, které převádějí napětí 6 a 10 kV na napětí 0,4 kV. (Hlavní typy transformátorů TMG, TMZ, TMF, TMB, TME, TMGSO, TM, TMZH, TDTN, TRDN, TSZ, TSZN, TSZGL a další.)

Měřicí transformátory napětí- jedná se o mezitransformátory, přes které se zapínají měřicí přístroje při vysokých napětích. Díky tomu jsou měřicí přístroje izolovány od sítě, což umožňuje použití standardních přístrojů (s rekalibrací jejich stupnice) a tím rozšířit limity měřených napětí.

Napěťové transformátory se používají jak k měření napětí, výkonu, energie, tak k napájení automatizačních obvodů, alarmů a reléové ochrany elektrického vedení před zemním spojením.

V některých případech mohou být napěťové transformátory použity jako nízkovýkonové snižovací výkonové transformátory nebo jako zvyšující zkušební transformátory (pro testování izolace elektrických zařízení).

Na ruském trhu jsou prezentovány následující typy napěťových transformátorů:

3NOL.06, ZNOLP, ZNOLPM, ZNOL.01PMI, 3xZNOL.06, 3xZNOLP, 3xZNOLPM, NOL.08, NOL.11-6.O5, NOL.12 OM3, ZNOL.06-35 (ZNOLE-35), ZNOL , NOL 35, NOL-35 III, NAMIT-10, ZNIOL, ZNIOL-10-1, ZNIOL-10-P, ZNIOL-20, ZNIOL-20-P, ZNIOL-35, ZNIOL-35-P, ZNIOL-35 -1, NIOL -20, NIOL-35, NOL-SESH -10, NOL-SESH -10-1, NOL-SESH-6, NOL-SESH-6-1, NOL-SESH-20, NOL-SESH-35 , 3xZNOL-SESH-6, 3xZNOL-SESH-10, NALI-SESH-10, NALI-SESH-6, NTMI 6, NTMI 10, NAMI 6, NAMI 10, NAMI 35, NAMI 110, ZNAMIT-6, ZNAMIT-10 , ZNOMP 35, NOM 6, NOM 10, NOM 35, NKF 110, NKF 150, NKF 220 a další.

U transformátorů pro měření napětí je primární vinutí 3000/√3, 6000/√3, 10000/√3, 13800/√3, 18000/√3, 24000/√3, 27000/√003, 350 /√3 , 110000/√3, 150000/√3, 220000/√3, 330000/√3, 400000/√3, 500000/√3 a sekundární 100/10,3 nebo

Transformátor napětí je pomocné zařízení, ve kterém je sekundární proud prakticky úměrný primárnímu proudu a je navržen tak, aby zahrnoval měřicí přístroje a relé ve střídavých obvodech.

Dodáváno s třídou přesnosti: 0,5; 0,5S; 0,2; 0,2 S.

Proudové transformátory slouží k přeměně proudu libovolné hodnoty a napětí na proud vhodný pro měření standardními přístroji (5 A), napájení vinutí proudových relé, odpojovačů zařízení a také pro izolování zařízení a jejich personálu od vysokého napětí.

DŮLEŽITÉ! Měřicí transformátory proudu jsou dodávány s těmito převodovými poměry: 5/5, 10/5, 15/5, 20/5, 30/5, 40/5, 50/5, 75/5, 100/5, 150/5 , 200/5, 300/5, 400/5, 500/5, 600/5, 800/5, 1000/5, 1500/5, 2000/5, 2500/5, 3000/5, 5000/5, 8000 /5, 10 000/5.
Na ruském trhu jsou proudové transformátory zastoupeny následujícími modely:

TOP-0,66, TSHP-0,66, TOP-0,66-I, TSHP-0,66-I, TSHL-0,66, TNShL-0,66, TNSh-0,66, TOL-10, TLO-10, TOL-10-I, TOL-10- M, TOL-10-8, TOL-10-IM, TOL-10 III, TSHL-10, TLSh-10, TPL-10-M, TPOL-10, TPOL-10M, TPOL-10 III, TL-10, TL-10-M, TPLC-10, TOLK-6, TOLK-6-1, TOLK-10, TOLK-10-2, TOLK-10-1, TOL-20, TSHL-20-I, TPL-20, TPL-35, TOL-35, TOL-35-III-IV, TOL-35 II-7.2, TLK-35, TV, TLK-10, TPL-10S, TLM-10, TShLP-10, TPK-10, TVLM -10, TVK-10, TVLM-6, TLC-20, TLC-35-1, TLC-35-2, TLC-35-3, TOL-SESH 10, TOL-SESH-20, TOL-SESH-35, TSHL-SESH 0.66, transformátory Ritz, TPL-SESH 10, TZLK(R)-SESH 0.66, TV-SESH-10, TV-SESH-20, TV-SESH-35, TSHL-SESH-10, TSHL-SESH-20 , TZLV-SESH-10 a další.

Klasifikace napěťových transformátorů

Napěťové transformátory jsou různé:

A) počtem fází - jednofázové a třífázové;
b) podle počtu závitů - dvouvinutí, třívinutí, čtyřvinutí.
Příklad 0,5/0,5S/10P;
c) podle třídy přesnosti, t.j. podle hodnot dovolených chyb;
d) podle způsobu chlazení - transformátory s olejovým chlazením (olejové), s přirozeným vzduchovým chlazením (suché a s litou izolací);
e) podle typu instalace - pro vnitřní instalaci, pro venkovní instalaci a pro kompletní rozvaděče (KRU).

Pro napětí do 6-10 kV se napěťové transformátory vyrábějí suché, tedy s přirozeným chlazením vzduchem. Pro napětí nad 6-10 kV se používají napěťové transformátory v olejové lázni.

Vnitřní transformátory jsou určeny pro provoz při okolní teplotě od -40 do + 45°С s relativní vlhkostí do 80%.

V jednofázové transformátory napětí při 6 až 10 kV, používá se především litá izolace. Transformátory z lité pryskyřice jsou zcela nebo částečně (jedno vinutí) vyplněny izolační hmotou (epoxidová pryskyřice). Takové transformátory, určené pro vnitřní instalaci, se příznivě srovnávají s olejovými transformátory: mají menší hmotnost a rozměry a nevyžadují téměř žádnou údržbu.

Třífázové dvouvinuté transformátory napětí mají konvenční třítyčová magnetická jádra a třívinutí mají jednofázová pancéřová jádra.
Třífázový třívinutý transformátor je skupina tří jednofázových jednopólových jednotek, jejichž vinutí jsou zapojena podle příslušného schématu. Třífázové třívinuté transformátory napětí staré řady (do 1968-1969) měly pancéřovaná magnetická jádra. Třífázový transformátor má menší hmotnost a rozměry než skupina tří jednofázových transformátorů. Při provozu třífázového transformátoru pro rezervu musíte mít další transformátor na plný výkon
U olejových transformátorů je hlavním izolačním a chladicím médiem transformátorový olej.

olejový transformátor sestává z magnetického obvodu, vinutí, nádrže, krytu se vstupy. Magnetický obvod je sestaven z plechů za studena válcované elektrooceli, které jsou navzájem izolované (pro snížení ztrát vířivými proudy). Vinutí jsou vyrobena z měděného nebo hliníkového drátu. Pro regulaci napětí má vinutí VN odbočky připojené ke spínači. Transformátory poskytují dva typy spínání odboček: pod zátěží - přepínač odboček pod zatížením (řízení pod zatížením) a bez zátěže po odpojení transformátoru od sítě - PBV (spínání bez buzení). Druhý způsob regulace napětí je nejběžnější, protože je nejjednodušší.

Kromě výše uvedených transformátorů chlazených olejem (Transformer TM) jsou vyráběny transformátory hermeticky uzavřené (TMG), ve kterých olej nekomunikuje se vzduchem a je tedy vyloučena jeho zrychlená oxidace a vlhkost. Olejotěsné transformátory jsou zcela naplněny transformátorovým olejem a nemají expandér a teplotní změny jeho objemu při ohřevu a chlazení jsou kompenzovány změnou objemu zvlnění stěn nádrže. Tyto transformátory jsou naplněny olejem ve vakuu, což zvyšuje dielektrickou pevnost jejich izolace.

Suchý transformátor, stejně jako olej, se skládá z magnetického obvodu, vinutí VN a NN, uzavřených v ochranném pouzdře. Hlavním izolačním a chladicím médiem je atmosférický vzduch. Vzduch je však méně dokonalé izolační a chladicí médium než transformátorový olej. Proto jsou u suchých transformátorů všechny izolační mezery a ventilační kanály větší než u olejových.

Suché transformátory jsou vyráběny s vinutím se skleněnou izolací třídy tepelné odolnosti B (TSZ), jakož i s izolací na silikonových lacích třídy H (TSZK). Pro snížení hygroskopičnosti jsou vinutí impregnována speciálními laky. Použití sklolaminátových nebo azbestových vinutí jako izolace se může výrazně zvýšit Provozní teplota vinutí a získáte prakticky ohnivzdornou instalaci. Tato vlastnost suchých transformátorů umožňuje jejich použití pro instalaci uvnitř suchých místností v případech, kdy je rozhodujícím faktorem zajištění požární bezpečnosti instalace. Někdy jsou suché transformátory nahrazeny dražšími a obtížně vyrobitelnými sovetolovye.

Suché transformátory mají poněkud větší celkové rozměry a hmotnost (transformátor TSZ) a nižší přetížitelnost než olejové a používají se pro provoz v uzavřených prostorách s relativní vlhkostí do 80 %. Mezi výhody suchých transformátorů patří jejich požární bezpečnost (bez oleje), relativní jednoduchost konstrukce a relativně nízké provozní náklady.

Klasifikace proudových transformátorů

Proudové transformátory jsou klasifikovány podle různých kritérií:

1. Podle účelu lze transformátory proudu rozdělit na měřicí (TOL-SESH-10, TLM-10), ochranné, mezilehlé (pro zařazení měřicích přístrojů do proudových obvodů reléové ochrany, pro vyrovnávání proudů v obvodech diferenciální ochrany atd.) a laboratorní (vysoká přesnost, stejně jako s mnoha transformačními poměry).

2. Podle typu instalace se rozlišují proudové transformátory:
a) pro venkovní instalaci, instalované v otevřeném rozvaděči (TLK-35-2.1 UHL1);
b) pro vnitřní instalaci;
c) zabudované do elektrických přístrojů a strojů: spínače, transformátory, generátory atd.;
d) nákladní listy - navlékají se shora na průchodkový izolátor (např. na vysokonapěťový vstup silového transformátoru);
e) přenosný (pro kontrolní měření a laboratorní testy).

3. Podle provedení primárního vinutí se proudové transformátory dělí:
a) víceotáčkový (cívka, se smyčkovým vinutím a s osmi vinutím);
b) jednootáčkový (tyč);
c) pneumatika (TSh-0,66).

4. Podle způsobu instalace se proudové transformátory pro vnitřní a venkovní instalaci dělí:
a) průchody (TPK-10, TPL-SESH-10);
b) podpora (TLK-10, TLM-10).

5. Provedením izolace lze proudové transformátory rozdělit do skupin:
a) se suchou izolací (porcelán, bakelit, litá epoxidová izolace atd.);
b) s izolací z papírového oleje a s kondenzátorovou izolací z papírového oleje;
c) se směsnou náplní.

6. Podle počtu transformačních stupňů se rozlišují proudové transformátory:
a) jednostupňové;
b) dvoustupňové (kaskádové).

7. Podle provozního napětí se rozlišují transformátory:
a) pro jmenovité napětí nad 1000 V;
b) pro jmenovité napětí do 1000 V.

Kombinace různých klasifikační znaky se zapisuje do označení typu proudových transformátorů, skládající se z písmenné a číselné části.

Proudové transformátory se vyznačují jmenovitým proudem, napětím, třídou přesnosti a provedením. Při napětí 6-10 kV jsou vyrobeny jako referenční a průchozí průchody s jedním a dvěma sekundárními vinutími třídy přesnosti 0,2; 0,5; 1 a 3. Třída přesnosti udává mezní chybu vnesenou proudovým transformátorem do výsledků měření. Transformátory tříd přesnosti 0,2, které mají minimální chybu, se používají pro laboratorní měření, 0,5 - pro napájení měřičů, 1 a 3 - pro napájení proudových vinutí relé a technických měřicích přístrojů. Pro bezpečný provoz musí být sekundární vinutí uzemněno a nesmí být přerušený obvod.
Při instalaci rozváděčů s napětím 6-10 kV se používají proudové transformátory s litou a porcelánovou izolací a při napětí do 1000 V - s litou, bavlněnou a porcelánovou izolací.

Příkladem je základní 2vinutý transformátor proudu TOL-SESH-10 s litou pryskyřicí pro jmenovité napětí 10 kV, provedení 11, se sekundárními vinutími:

Pro připojení měřicích obvodů, s třídou přesnosti 0,5 a zátěží 10 VA;
- pro připojení ochranných obvodů, s třídou přesnosti 10P a zátěží 15 VA;

Pro jmenovitý primární proud 150 A, jmenovitý sekundární proud 5 A, klimatická verze "U" kategorie umístění 2 v souladu s GOST 15150-69 při zadání objednávky na výrobu u CJSC VolgaEnergoKomplekt:

TOL-SESH-10-11-0,5 / 10R-10 / 15-150 / 5 U2 - se jmenovitým primárním proudem - 150A, sekundární - 5A.

Činnost transformátoru je založena na jevu vzájemné indukce. Pokud je primární vinutí transformátoru připojeno na střídavý zdroj, pak jím bude protékat střídavý proud, který vytvoří střídavý magnetický tok v jádru transformátoru. Tento magnetický tok, pronikající do závitů sekundárního vinutí, se v něm indukuje elektromotorická síla(EMF). Pokud je sekundární vinutí uzavřeno k jakémukoli přijímači energie, pak při působení indukovaného EMF začne proudit tímto vinutím a přijímačem energie.

Současně se v primárním vinutí objeví zatěžovací proud. Takto se transformovaná elektrická energie přenáší z primární síť do sekundárního při napětí, pro které je navržen přijímač energie připojený k sekundární síti.

Pro zlepšení magnetického spojení mezi primárním a sekundárním vinutím jsou umístěny na ocelovém magnetickém obvodu. Vinutí jsou izolována jak od sebe, tak od magnetického obvodu. Vinutí s vyšším napětím se nazývá vinutí vyšší napětí(VN), a vinutí nižšího napětí - vinutí nízké napětí(NN). Vinutí zahrnuté v síti zdroje elektrické energie se nazývá primární; vinutí, ze kterého je přiváděna energie do přijímače, je sekundární.

Obvykle nejsou napětí primárního a sekundárního vinutí stejná. Pokud je primární napětí menší než sekundární, transformátor se nazývá step-up, pokud je větší než sekundární - step-down. Jakýkoli transformátor může být použit jak pro zvýšení, tak pro snížení. Zvyšovací transformátory se používají k přenosu elektřiny na velké vzdálenosti a snižovací transformátory se používají k její distribuci mezi spotřebitele.

U třívinutých transformátorů jsou na magnetickém obvodu umístěny tři od sebe izolovaná vinutí. Takový transformátor, napájený z jednoho z vinutí, umožňuje přijímat dvě různá napětí a dodávat elektrickou energii dvěma různým skupinám přijímačů. Kromě vysokonapěťových a nízkonapěťových vinutí má třívinutý transformátor vinutí středního napětí (MV).

Vinutí transformátoru má převážně válcový tvar a provádí je při nízkých proudech z kruhového izolovaného měděného drátu a při vysokých proudech z obdélníkových měděných tyčí.

Blíže k magnetickému obvodu je umístěno nízkonapěťové vinutí, protože je snazší jej od něj izolovat než vysokonapěťové vinutí.

Nízkonapěťové vinutí je od tyče izolováno vrstvou nějakého izolačního materiálu. Stejné izolační těsnění je umístěno mezi vysokonapěťovým a nízkonapěťovým vinutím.

U válcových vinutí je žádoucí dát průřezu jádra magnetického obvodu kulatý tvar, aby v oblasti pokryté vinutími nebyly žádné nemagnetické mezery. Čím menší jsou nemagnetické mezery, tím menší je délka závitů vinutí, a tím i hmotnost mědi pro danou plochu průřezu ocelové tyče.

Kruhové tyče se však obtížně vyrábějí. Magnetické jádro je sestaveno z tenkých ocelových plechů a pro získání kruhové tyče by bylo potřeba velké množství ocelových plechů různých šířek, což by vyžadovalo výrobu mnoha zápustek. Proto v transformátorech vysoký výkon tyč má stupňovitý průřez s počtem kroků ne větším než 15-17. Počet kroků úseku tyče je určen počtem rohů v jedné čtvrtině kruhu. Jho magnetického obvodu, tj. jeho část, která spojuje tyče, má rovněž stupňovitý průřez.

Pro lepší chlazení v magnetických jádrech, stejně jako ve vinutích výkonných transformátorů, jsou ventilační kanály uspořádány v rovinách rovnoběžných a kolmých k rovině ocelových plechů.
U transformátorů s nízkým výkonem je plocha průřezu drátu malá a vinutí jsou zjednodušená. Magnetické obvody takových transformátorů mají obdélníkový průřez.

Hodnocení transformátoru

Užitečný výkon, na který je transformátor dimenzován podle podmínek ohřevu, tedy výkon jeho sekundárního vinutí při plné (jmenovité) zátěži, se nazývá jmenovitý výkon transformátoru. Tento výkon se vyjadřuje v jednotkách zdánlivého výkonu – ve voltampérech (VA) nebo kilovoltampérech (kVA). Ve wattech nebo kilowattech se vyjadřuje činný výkon transformátoru, tedy výkon, který lze přeměnit z elektrického na mechanický, tepelný, chemický, světelný atd. Průřezy vodičů vinutí a všech částí transformátoru , stejně jako jakýkoli elektrický přístroj nebo elektrický stroj, jsou určeny nikoli činnou složkou proudu nebo činného výkonu, ale celkovým proudem procházejícím vodičem, a tedy plná síla. Všechny ostatní veličiny charakterizující provoz transformátoru za podmínek, pro které je navržen, se také nazývají jmenovité.

Každý transformátor je vybaven stíněním z materiálu, který nepodléhá atmosférickým vlivům. Štít je připevněn k nádrži transformátoru na viditelném místě a obsahuje jeho jmenovité údaje, které jsou aplikovány leptáním, rytím, vyklepáváním nebo jiným způsobem zajišťujícím trvanlivost značek. Na štítku transformátoru jsou uvedeny následující údaje:

1. Značka výrobce.
2. Rok vydání.
3. Sériové číslo.
4. Typové označení.
5. Číslo normy, které vyrobený transformátor odpovídá.
6. Jmenovitý výkon (kVA). (U tří vinutí uveďte výkon každého vinutí.)
7. Jmenovitá napětí a napětí odboček vinutí (V nebo kV).
8. Jmenovité proudy každého vinutí (A).
9. Počet fází.
10. Frekvence proudu (Hz).
11. Schéma a skupina zapojení vinutí transformátoru.
12. Napětí zkrat (%).
13. Typ instalace (interní nebo externí).
14. Způsob chlazení.
15. Hrubá hmotnost transformátoru (kg nebo t).
16. Hmotnost oleje (kg nebo t).
17. Hmotnost aktivní části (kg nebo t).
18. Polohy spínače vyznačené na jeho pohonu.

U transformátoru s umělým vzduchovým chlazením je jeho výkon navíc indikován při vypnutém chlazení. Sériové číslo transformátoru je také vyraženo na nádrži pod štítem, na krytu poblíž VN vstupu fáze A a na levém konci horní police třmenu magnetického obvodu. Symbol transformátoru se skládá z abecední a číselné části. Písmena znamenají následující:

T - třífázový,
O - jednofázové,
M - přirozené chlazení oleje,
D - chlazení oleje tryskáním (umělý vzduch a přirozená cirkulace oleje),
C - chlazení oleje s nuceným oběhem oleje přes vodní chladič,
DC - olej s tryskáním a nuceným oběhem oleje,
G - bleskuvzdorný transformátor,
H na konci označení - transformátor s regulací napětí při zátěži,
H na druhém místě - naplněné nehořlavým kapalným dielektrikem,
T na třetím místě je třívinutý transformátor.

První číslo za písmenným označením transformátoru udává jmenovitý výkon (kVA), druhé číslo - jmenovité napětí vinutí vn (kV). Typ TM 6300/35 tedy znamená třífázový dvouvinutý transformátor s přirozeným chlazením oleje o výkonu 6300 kVA a napětí vinutí vn 35 kV. Písmeno A v označení typu transformátoru znamená autotransformátor. V označení třívinutých autotransformátorů je písmeno A umístěno buď jako první nebo jako poslední. Pokud je obvod autotransformátoru hlavní (vinutí VN a VN tvoří autotransformátor a vinutí NN je doplňkové), umístí se písmeno A jako první, pokud je obvod autotransformátoru doplňkový, písmeno A se umístí jako poslední.

Provoz transformátoru je založen na dvou základní principy:

1. Časově proměnlivé elektřina vytváří magnetické pole (elektromagnetismus)

2. Změna magnetického toku procházejícího vinutím vytváří EMF v tomto vinutí (elektromagnetická indukce)

Střídavý proud tekoucí v primárním vinutí vytváří střídavý magnetický tok v magnetickém obvodu, jehož změny, procházející sekundárním vinutím, v něm zase vytvářejí střídavý EMF.

Rýže. 1 Schematické uspořádání transformátoru. 1 - primární vinutí, 2 - sekundární

Faradayův zákon

EMF generované v sekundárním vinutí lze vypočítat z Faradayova zákona, který říká, že:

N2 je počet závitů v sekundárním vinutí,

Φ - celkový magnetický tok, přes jednu otáčku vinutí. Pokud jsou závity vinutí kolmé k čarám magnetického pole, pak bude tok úměrný magnetické pole B a oblast S, kterou prochází.

EMF generované v primárním vinutí, resp.

U1 - okamžitá hodnota napětí na koncích primárního vinutí,

N1 je počet závitů v primárním vinutí.

Vydělením rovnice U2 U1 dostaneme poměr:

Ideální transformátorové rovnice

Pokud je sekundární vinutí připojeno k zátěži, bude elektrická energie přenášena z primárního okruhu do sekundárního. V ideálním případě transformuje transformátor veškerou energii přicházející z primárního okruhu na magnetické pole a poté na energii sekundárního okruhu. V tomto případě se příchozí energie rovná přeměněné energii.

P1 - okamžitá hodnota výkonu přiváděného do transformátoru z primárního okruhu,

P2 je okamžitá hodnota výkonu přeměněného transformátorem vstupujícím do sekundárního okruhu.

Kombinací této rovnice s poměrem napětí na koncích vinutí dostaneme rovnici pro ideální transformátor:

Získáme tedy, že s nárůstem napětí na koncích sekundárního vinutí U2 klesá proud sekundárního obvodu I2.

Chcete-li převést odpor jednoho obvodu na odpor druhého, musíte hodnotu vynásobit druhou mocninou poměru. Například odpor Z2 je připojen ke koncům sekundárního vinutí, jeho snížená hodnota k primárnímu okruhu bude . Toto pravidlo platí také pro sekundární okruh: .

Práce transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce. Jedno z vinutí, nazývané primární vinutí, je napájeno vnější zdroj. Střídavý proud protékající primárním vinutím vytváří v magnetickém obvodu fázově posunutý střídavý magnetický tok se sinusovým proudem o 90° vzhledem k napětí v primárním vinutí. V důsledku elektromagnetické indukce vytváří střídavý magnetický tok v magnetickém obvodu ve všech vinutích, včetně primárního, indukční EMF úměrné první derivaci magnetického toku, se sinusovým proudem posunutým o 90° v opačná strana s ohledem na magnetický tok. Když sekundární vinutí nejsou k ničemu připojena (režim nečinnosti), indukční EMF v primárním vinutí téměř úplně kompenzuje napětí zdroje energie, takže proud primárním vinutím je malý a je určen především jeho indukční reaktance. Indukční napětí na sekundárních vinutích v klidovém režimu je určeno poměrem počtu závitů odpovídajícího vinutí w2 k počtu závitů primárního vinutí w1:

Když je sekundární vinutí připojeno k zátěži, začne jím protékat proud. Tento proud také vytváří magnetický tok v magnetickém obvodu a je směrován opačně než magnetický tok vytvářený primárním vinutím. V důsledku toho je v primárním vinutí narušena indukce kompenzace EMF a zdroj emf napájení, což vede ke zvýšení proudu v primárním vinutí, dokud magnetický tok nedosáhne téměř stejné hodnoty. V tomto režimu je poměr proudů primárního a sekundárního vinutí roven obrácenému poměru počtu závitů vinutí

poměr napětí v první aproximaci také zůstává stejný. Výsledkem je, že výkon odebíraný ze zdroje v primárním okruhu je téměř zcela převeden do sekundárního.

Schematicky lze výše uvedené znázornit takto:

U1 → I1 → I1w1 → Ф → ε2 → I2

Okamžitý magnetický tok v magnetickém obvodu transformátoru je určen časovým integrálem okamžité hodnoty EMF v primárním vinutí a v případě sinusového napětí je fázově posunut o 90° vzhledem k EMF. . EMF indukovaný v sekundárních vinutích je úměrný první derivaci magnetického toku a pro jakoukoli formu proudu se shoduje ve fázi a formě s EMF v primárním vinutí.

Transformátor- statický elektromagnetický přístroj pro přeměnu střídavého proudu jednoho napětí na střídavý proud jiného napětí o stejné frekvenci. Transformátory se používají v elektrické obvody při přenosu a rozvodu elektrické energie, dále při svařování, vytápění, usměrňování elektroinstalací a mnoho dalších.

Transformátory se odlišují počtem fází, počtem vinutí a způsobem chlazení. Výkonové transformátory se používají především ke zvýšení nebo snížení napětí v elektrických obvodech.

Zařízení a princip činnosti

Schéma jednofázového dvouvinutého transformátoru je uvedeno níže.

Schéma ukazuje hlavní části: feromagnetické jádro, dvě vinutí na jádru. První vinutí a všechny veličiny, které se k němu vztahují (i1-proud, u1-napětí, n1-počet závitů, Ф1 - magnetický tok) nazýváme primární, druhé vinutí a příslušné veličiny sekundární.

Primární vinutí je připojeno k síti se střídavým napětím, jeho magnetizační síla i1n1 vytváří v magnetickém obvodu střídavý magnetický tok Ф, který je spojen s oběma vinutími a indukuje v nich EMF e1= -n1 dФ/dt, e2= -n2dФ/dt. Při sinusové změně magnetického toku Ф \u003d Фm sinωt se EMF rovná e \u003d Em sin (ωt-π / 2). Chcete-li vypočítat efektivní hodnotu EMF, musíte použít vzorec E \u003d 4,44 f n Фm, kde f je cyklická frekvence, n je počet závitů, Фm je amplituda magnetického toku. Navíc, pokud chcete vypočítat hodnotu EMF v některém z vinutí, musíte místo n nahradit počet závitů v tomto vinutí.

Z výše uvedených vzorců můžeme usoudit, že EMF zaostává za magnetickým tokem o čtvrtinu periody a poměr EMF ve vinutí transformátoru je roven poměru počtu závitů E1/E2=n1/n2.

Pokud druhé vinutí není zatíženo, pak je transformátor v klidovém režimu. V tomto případě je i2 = 0 a u2=E2, proud i1 je malý a úbytek napětí v primárním vinutí je malý, takže u1≈E1 a poměr EMF lze nahradit poměrem napětí u1/u2 = n1/ n2 = E1/E2 = k. Z toho můžeme usoudit, že sekundární napětí může být menší nebo větší než primární, v závislosti na poměru počtu závitů vinutí. Poměr primárního napětí k sekundárnímu napětí při volnoběh transformátor se nazývá transformační poměr k.

Jakmile je sekundární vinutí připojeno k zátěži, objeví se v obvodu proud i2, to znamená, že energie je přenášena z transformátoru, který ji přijímá ze sítě, do zátěže. K přenosu energie v samotném transformátoru dochází vlivem magnetického toku F.

Obvykle jsou výstupní výkon a vstupní výkon přibližně stejné, jako jsou transformátory elektrické stroje s hezkou vysoká účinnost, ale pokud chcete provést přesnější výpočet, pak se účinnost zjistí jako poměr činný výkon na výstupu na činný výkon na vstupu η = P2/P1.

Magnetický obvod transformátoru je uzavřené jádro sestavené z plechů elektrooceli o tloušťce 0,5 nebo 0,35 mm. Před montáží jsou plechy oboustranně izolovány lakem.

Podle typu konstrukce se rozlišují tyčové (ve tvaru L) a pancéřové (ve tvaru W) magnetické obvody. Podívejme se na jejich strukturu.

Tyčový transformátor se skládá ze dvou tyčí, na kterých jsou vinutí a třmenu, které tyče spojuje, vlastně proto dostal svůj název. Transformátory tohoto typu se používají mnohem častěji než pancéřové transformátory.

Armor transformátor je jho uvnitř, ve kterém je tyč s vinutím. Jho, jak to bylo, chrání tyč, proto se transformátor nazývá pancéřový.

Navíjení

Konstrukce vinutí, jejich izolace a způsoby upevnění na tyčích závisí na výkonu transformátoru. K jejich výrobě se používají měděné dráty kulatého a obdélníkového průřezu, izolované bavlněnou přízí nebo kabelovým papírem. Vinutí musí být pevné, flexibilní, mít nízké energetické ztráty a musí být jednoduché a nenákladné na výrobu.

Chlazení

Ve vinutí a jádru transformátoru jsou pozorovány energetické ztráty, v důsledku čehož se uvolňuje teplo. V tomto ohledu transformátor vyžaduje chlazení. Některé malé výkonové transformátory vydávají své teplo do okolí, zatímco ustálená teplota nemá vliv na provoz transformátoru. Takové transformátory se nazývají „suché“, tj. s přirozeným chlazením vzduchem. Ale při středních a vysokých výkonech, chlazení vzduchem nezvládá, místo toho používají kapalinu, nebo spíše olej. U takových transformátorů je vinutí a magnetický obvod umístěn v nádrži s transformátorovým olejem, který zesiluje elektrickou izolaci vinutí od magnetického obvodu a zároveň slouží k jejich chlazení. Olej přijímá teplo z vinutí a magnetického obvodu a předává ho stěnám nádrže, odkud se teplo odvádí do okolí. Současně cirkulují olejové vrstvy s rozdílem teplot, což zlepšuje přenos tepla. Pro transformátory s výkonem do 20-30 kVA stačí chlazení nádrže s hladkými stěnami, ale při vysokých výkonech se instalují nádrže s vlnitými stěnami. Je třeba také vzít v úvahu, že při zahřátí má olej tendenci zvětšovat objem, proto jsou do výkonných transformátorů instalovány rezervní nádrže a výfukové potrubí (pokud se olej vaří, objeví se páry, které potřebují výstup). U transformátorů nižšího výkonu se omezuje na to, že se olej nenalévá až k samotnému krytu.

Generátory, které jsou v elektrárnách, produkují velmi silné EMF. V praxi je takové napětí málokdy potřeba. Proto je nutné toto napětí převést.

transformátory

K převodu napětí se používají zařízení nazývaná transformátory. Transformátory mohou napětí zvýšit nebo snížit. Existují také stabilizační transformátory, které nezvyšují ani nesnižují napětí.

Zvažte zařízení transformátoru na následujícím obrázku.

obrázek

Zařízení a provoz transformátoru

Transformátor se skládá ze dvou cívek s vinutím drátu. Tyto cívky jsou umístěny na ocelovém jádru. Jádro není monolitické, ale je sestaveno z tenkých desek.

Jedno z vinutí se nazývá primární. Připojeno k tomuto vinutí střídavé napětí, který pochází z generátoru a který je třeba převést. Druhé vinutí se nazývá sekundární. Je k němu připojena zátěž. Zátěž jsou všechna zařízení a zařízení, která spotřebovávají energii.

Následující obrázek ukazuje symbol transformátor.

obrázek

Práce transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce. Když primárním vinutím prochází střídavý proud, vzniká v jádře střídavý magnetický tok. A protože jádro je společné, magnetický tok indukuje proud v druhé cívce.

V primárním vinutí transformátoru je N1 závitů, jeho celkové indukční EMF se rovná e1 = N1 * e, kde e je okamžitá hodnota indukčního EMF ve všech závitech. Je stejný pro všechny závity obou cívek.

V sekundárním vinutí je N2 závitů. Indukuje se v něm EMF e2 = N2*e.

Proto:

Odpor vinutí je zanedbáván. Proto budou hodnoty EMF indukce a napětí přibližně stejné v absolutní hodnotě:

Při otevřeném obvodu sekundárního vinutí v něm neprotéká žádný proud, proto:

Okamžité hodnoty EMF e1, e2 kolísají v jedné fázi. Jejich poměr lze nahradit poměrem efektivních hodnot EMF: E1 a E2. A poměr okamžitých hodnot napětí bude nahrazen hodnotami efektivního napětí. Dostaneme:

E1/E2 ≈U1/U2 ≈N1/N2 = K

K je transformační poměr. Na K>0 transformátor zvyšuje napětí K<0 - Transformátor snižuje napětí. Pokud je na konce sekundárního vinutí připojena zátěž, pak se ve druhém obvodu objeví střídavý proud, který způsobí, že se v jádře objeví další magnetický tok.

Tento magnetický tok sníží změnu magnetického toku jádra. Pro nabito transformátoru, bude platit následující vzorec:

U1/U2 ≈ I2/I1.

To znamená, že při několikanásobném zvýšení napětí snížíme proud o stejnou hodnotu.

Princip činnosti transformátoru je spojen s principem elektromagnetické indukce. Proud tekoucí do primárního vinutí vytváří magnetický tok v magnetickém obvodu.

Práce transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce. Jedno z vinutí, nazývané primární vinutí, je napájeno z externího zdroje. Střídavý proud protékající primárním vinutím vytváří v magnetickém obvodu fázově posunutý střídavý magnetický tok se sinusovým proudem o 90° vzhledem k proudu v primárním vinutí. V důsledku elektromagnetické indukce vytváří střídavý magnetický tok v magnetickém obvodu ve všech vinutích, včetně primárního, indukční EMF úměrné první derivaci magnetického toku, se sinusovým proudem posunutým o 90° vzhledem k magnetický tok. Když sekundární vinutí nejsou k ničemu připojena (režim nečinnosti), indukční EMF v primárním vinutí téměř úplně kompenzuje napětí zdroje energie, takže proud primárním vinutím je malý a je určen především jeho indukční reaktancí. . Indukční napětí na sekundárních vinutích v klidovém režimu je určeno poměrem počtu závitů odpovídajícího vinutí w2 k počtu závitů primárního vinutí w1: U2=U1w2/w1.

Když je sekundární vinutí připojeno k zátěži, začne jím protékat proud. Tento proud také vytváří magnetický tok v magnetickém obvodu a je směrován opačně než magnetický tok vytvářený primárním vinutím. V důsledku toho je v primárním vinutí narušena kompenzace indukčního EMF a EMF napájecího zdroje, což vede ke zvýšení proudu v primárním vinutí, dokud magnetický tok nedosáhne téměř stejné hodnoty. V tomto režimu je poměr proudů primárního a sekundárního vinutí roven inverznímu poměru počtu závitů vinutí (I1=I2w2/w1,), poměr napětí v první aproximaci také zůstává stejný.

Schematicky lze výše uvedené znázornit takto:

U1 > I1 > I1w1 > Ф > ε2 > I2.

Magnetický tok v magnetickém obvodu transformátoru je fázově posunut vůči proudu v primárním vinutí o 90°. EMF v sekundárním vinutí je úměrné první derivaci magnetického toku. Pro sinusové signály je první derivací sinusu kosinus a fázový posun mezi sinusem a kosinusem je 90°. V důsledku toho, když jsou vinutí zapnuta konsonantně, transformátor posune fázi přibližně o 180°. Když jsou vinutí zapnuta v opačném směru, přidá se další fázový posun o 180 ° a celkový fázový posun transformátoru je přibližně 360 °.

Nečinná zkušenost

Pro testování transformátoru se používá test naprázdno a test na zkrat.

Při chodu transformátoru naprázdno je jeho sekundární vinutí otevřené a v tomto vinutí není žádný proud (/2-0).

Pokud je primární vinutí transformátoru připojeno ke zdroji střídavého proudu, pak v tomto vinutí poteče proud naprázdno I0, což je malá hodnota ve srovnání se jmenovitým proudem transformátoru. U transformátorů vysokého výkonu může proud naprázdno dosáhnout hodnot řádově 5-10% jmenovitého proudu. U transformátorů s nízkým výkonem dosahuje tento proud 25-30 % jmenovitého proudu. Proud naprázdno I0 vytváří magnetický tok v magnetickém obvodu transformátoru. K vybuzení magnetického toku spotřebovává transformátor jalový výkon ze sítě. Pokud jde o činný výkon spotřebovaný transformátorem při chodu naprázdno, je vynaložen na pokrytí ztrát výkonu v magnetickém obvodu v důsledku hystereze a vířivých proudů.

Protože reaktivní síla když je transformátor ve volnoběhu, je to mnohem aktivnější výkon, pak je jeho účiník cos φ velmi malý a obvykle se rovná 0,2-0,3.