Vrste transformatorjev

Transformator je statična elektromagnetna naprava, ki vsebuje dve do več tuljav, ki se nahajajo na skupnem magnetnem krogu in so tako induktivno povezane med seboj. Služi kot transformator za pretvorbo električne energije iz izmeničnega toka s pomočjo elektromagnetne indukcije brez spreminjanja frekvence toka. Transformatorji se uporabljajo za pretvorbo izmenične napetosti in galvanska izolacija na različnih področjih elektrotehnike in elektronike.

Po pravici povedano ugotavljamo, da lahko v nekaterih primerih transformator vsebuje samo eno navitje (avtotransformator), jedro pa je lahko popolnoma odsotno (HF - transformator), vendar ima večina transformatorjev jedro (magnetno vezje) iz mehki magnetni feromagnetni material, in dva ali več izolacijskih trakov ali žičnih tuljav, ki jih pokriva skupni magnetni tok, vendar najprej na prvem mestu. Poglejmo, katere vrste transformatorjev so, kako so urejeni in za kaj se uporabljajo.

Močnostni transformator

Ta vrsta nizkofrekvenčnih (50-60 Hz) transformatorjev se uporablja v električnih omrežjih, pa tudi v napravah za sprejem in pretvorbo električne energije. Zakaj se imenuje moč? Ker se prav ta vrsta transformatorja uporablja za dobavo in sprejem električne energije iz in iz daljnovodov, kjer lahko napetost doseže 1150 kV.

V mestnih električnih omrežjih napetost doseže 10 kV. Skozi točno močni nizkofrekvenčni transformatorji napetost pade tudi na 0,4 kV, 380/220 voltov, ki jih zahtevajo potrošniki.

Strukturno lahko tipičen močnostni transformator vsebuje dva, tri ali več navitij, razporejenih na jedru iz oklepnega električnega jekla, pri čemer so nekateri nizkonapetostni navitji napajani vzporedno (transformator z razdeljenim navitjem).

To je uporabno za povečanje napetosti, prejete iz več generatorjev hkrati. Energetski transformator je praviloma nameščen v rezervoarju s transformatorskim oljem, pri posebno zmogljivih primerkih pa je dodan sistem aktivnega hlajenja.

Na transformatorskih postajah in elektrarnah so nameščeni trifazni energetski transformatorji z zmogljivostjo do 4000 kVA. Trifazni so pogostejši, saj so izgube do 15 % manjše kot pri treh enofaznih.

Omrežni transformator

V osemdesetih in devetdesetih letih 20. stoletja je bilo mogoče omrežne transformatorje najti v skoraj vseh električnih napravah. S pomočjo omrežnega transformatorja (običajno enofaznega) se napetost gospodinjskega omrežja 220 voltov s frekvenco 50 Hz zniža na raven, ki jo zahteva električni aparat, na primer 5, 12, 24 ali 48 voltov.

Linijski transformatorji so pogosto izdelani z več sekundarnimi navitji, tako da je mogoče uporabiti več virov napetosti za napajanje različnih delov vezja. Zlasti transformatorje TN (transformatorji z žarilno nitko) lahko vedno (in še vedno) najdemo v tokokrogih, kjer so prisotne radijske cevi.

Sodobni omrežni transformatorji so zgrajeni na W-oblikovanih, paličastih ali toroidnih jedrih niza elektrotehničnih jeklenih plošč, na katere so navite tuljave. Toroidna oblika magnetnega vezja omogoča pridobitev bolj kompaktnega transformatorja.

Če primerjamo transformatorje z enako skupno močjo toroidnega jedra in jedra v obliki črke W, bo toroidno zavzelo manj prostora, poleg tega je površina toroidnega magnetnega vezja popolnoma prekrita z navitji, praznega jarma ni, kot je primer z oklepnimi jedri v obliki črke W ali palicami. V električno omrežje sodijo predvsem varilni transformatorji z močjo do 6 kW. Mrežne transformatorje seveda uvrščamo med nizkofrekvenčne transformatorje.

Avtotransformator

Ena vrsta nizkofrekvenčnega transformatorja je avtotransformator, v katerem je sekundarno navitje del primara ali je primarni del sekundara. To pomeni, da so v avtotransformatorju navitja povezana ne le magnetno, ampak tudi električno. Več vodnikov je izdelanih iz ene tuljave in vam omogočajo, da dobite različne napetosti iz samo ene tuljave.

Glavna prednost avtotransformatorja je njegova nižja cena, saj se porabi manj žice za navitja, manj jekla za jedro, posledično pa je teža manjša kot pri običajnem transformatorju.Pomanjkljivost je pomanjkanje galvanske izolacije tuljav.

Avtotransformatorji se uporabljajo v avtomatskih krmilnih napravah in se pogosto uporabljajo tudi v visokonapetostnih električnih omrežjih. Trifazni avtotransformatorji s trikotno ali zvezdno povezavo v električnih omrežjih so danes v velikem povpraševanju.

Na voljo so močnostni avtotransformatorji z močjo do več sto megavatov. Avtotransformatorji se uporabljajo tudi za zagon močnih AC motorjev. Avtotransformatorji so še posebej uporabni pri nizkih transformacijskih razmerjih.

Laboratorijski avtotransformator

Poseben primer avtotransformatorja je laboratorijski avtotransformator (LATR). Omogoča vam gladko prilagajanje napetosti, ki se dovaja uporabniku. Zasnova LATR je toroidni transformator z enim navitjem, ki ima neizolirano "tirnico" od zavoja do zavoja, to pomeni, da se je možno priključiti na vsakega od zavojev navitja. Stik s tiri je zagotovljen z drsno ogljikovo krtačo, ki jo krmilite z vrtljivim gumbom.

Tako lahko dobite efektivno napetost z različnimi velikostmi na bremenu. Tipični enofazni pogoni omogočajo sprejem napetosti od 0 do 250 voltov, trifazni pa od 0 do 450 voltov. LATR z močjo od 0,5 do 10 kW so zelo priljubljeni v laboratorijih za nastavitev električne opreme.

Tokovni transformator

Tokovni transformator se imenuje transformator, katerega primarno navitje je priključeno na vir toka, sekundarno navitje pa na zaščitne ali merilne naprave, ki imajo nizek notranji upor. Najpogostejši tip tokovnega transformatorja je instrumentalni tokovni transformator.

Primarno navitje tokovnega transformatorja (običajno le en obrat, ena žica) zaporedno povežemo v vezje, v katerem želimo meriti izmenični tok. Izkazalo se je, da je tok sekundarnega navitja sorazmeren s tokom primara, medtem ko mora biti sekundarno navitje nujno obremenjeno, saj je sicer lahko napetost sekundarnega navitja dovolj visoka, da zlomi izolacijo. Tudi, če se odpre sekundarno navitje CT, bo magnetno vezje preprosto izgorelo zaradi induciranih nekompenziranih tokov.

Konstrukcija tokovnega transformatorja je jedro iz laminiranega silikonskega hladno valjanega elektrotehničnega jekla, na katerega je navito eno ali več izoliranih sekundarnih navitij. Primarno navitje je pogosto preprosto zbiralka ali žica z izmerjenim tokom skozi okno magnetnega vezja (mimogrede, to načelo uporablja merilne klešče).Glavna značilnost tokovnega transformatorja je razmerje transformacije, na primer 100/5 A.

Tokovni transformatorji se pogosto uporabljajo za merjenje toka in v relejnih zaščitnih vezjih. Varni so, ker sta merjeni in sekundarni tokokrog galvansko ločena drug od drugega. Običajno so industrijski tokovni transformatorji izdelani z dvema ali več skupinami sekundarnih navitij, od katerih je ena povezana z zaščitnimi napravami, druga pa z merilno napravo, kot so števci.

Impulzni transformator

V skoraj vseh sodobnih omrežnih napajalnikih, v različnih pretvornikih, v varilnih strojih in v drugih električnih pretvornikih moči in nizke moči se uporabljajo impulzni transformatorji.Danes so impulzna vezja skoraj v celoti nadomestila težke nizkofrekvenčne transformatorje z laminiranimi jeklenimi jedri.

Tipičen impulzni transformator je transformator s feritnim jedrom. Oblika jedra (magnetnega kroga) je lahko popolnoma drugačna: obroč, palica, skodelica, v obliki črke W, v obliki črke U. Prednost feritov pred transformatorskim jeklom je očitna - transformatorji na osnovi ferita lahko delujejo pri frekvencah do 500 kHz ali več.

Ker je impulzni transformator visokofrekvenčni transformator, se njegove dimenzije z naraščanjem frekvence bistveno zmanjšajo. Za navitja je potrebno manj žice in poljski tok zadostuje za pridobitev visokofrekvenčnega toka v primarni zanki, IGBT ali bipolarni tranzistor, včasih več, odvisno od topologije impulznega napajalnega vezja (naprej - 1, push-pull - 2, pol-most - 2, most - 4).

Po pravici povedano ugotavljamo, da če se uporablja povratno napajalno vezje, je transformator v bistvu dvojna dušilka, saj so procesi kopičenja in sproščanja električne energije v sekundarnem tokokrogu časovno ločeni, to pomeni, da se ne nadaljujejo hkrati pa je torej s povratnim krmilnim vezjem še vedno dušilka, ne pa transformator.

Impulzna vezja s transformatorji in feritnimi dušilkami danes najdemo povsod, od predstikalnih naprav varčnih sijalk in polnilcev različnih pripomočkov, do varilnih strojev in močnih inverterjev.

Impulzni tokovni transformator

Za merjenje velikosti in (ali) smeri toka v impulznih tokokrogih se pogosto uporabljajo impulzni tokovni transformatorji, ki so feritno jedro, pogosto obročasto (toroidno), z enim navitjem.Žica je napeljana skozi obroč jedra, tok v katerem je treba pregledati, sama tuljava pa je naložena na upor.

Na primer, obroč vsebuje 1000 obratov žice, potem bo razmerje med tokovi primarnega (žica z navojem) in sekundarnega navitja 1000 proti 1. Če je navitje obroča obremenjeno z uporom znane vrednosti, potem bo napetost, izmerjena na njej, sorazmerna s tokom tuljave, kar pomeni, da je izmerjeni tok 1000-kratnik toka skozi ta upor.

Industrija proizvaja impulzne tokovne transformatorje z različnimi transformacijskimi razmerji. Projektant mora na tak transformator priključiti le upor in merilno vezje. Če želite vedeti smer toka, ne njegove velikosti, potem navitje tokovnega transformatorja preprosto napolnita dve nasprotni zener diodi.

Komunikacija med električnimi stroji in transformatorji

Električni transformatorji so vedno vključeni v tečaje električnih strojev, ki se preučujejo v vseh elektrotehničnih specialitetah izobraževalnih ustanov. V bistvu električni transformator ni električni stroj, temveč električni aparat, saj nima gibljivih delov, katerih prisotnost je značilna lastnost vsakega stroja kot vrste mehanizma.Zato so omenjeni predmeti, v da bi se izognili nesporazumom, bi morali imenovati "tečaji o električnih strojih in električnih transformatorjih".

Vključitev transformatorjev v vse predmete o električnih strojih je iz dveh razlogov.Eden je zgodovinskega izvora: iste tovarne, ki so izdelovale električne stroje za izmenični tok, so izdelovale tudi transformatorje, saj je sama prisotnost transformatorjev dala izmeničnim strojem prednost pred enosmernimi, kar je na koncu privedlo do njihove prevlade v industriji. In zdaj si je nemogoče predstavljati veliko AC instalacijo brez transformatorjev.

Z razvojem proizvodnje strojev in transformatorjev za izmenični tok pa se je pojavila potreba po koncentraciji proizvodnje transformatorjev v posebnih tovarnah transformatorjev. Dejstvo je, da je zaradi možnosti prenosa izmeničnega toka s transformatorji na velike razdalje naraščanje višje napetosti transformatorjev potekalo veliko hitreje kot naraščanje napetosti električnih strojev na izmenični tok.

Na trenutni stopnji razvoja električnih strojev z izmeničnim tokom je najvišja racionalna napetost zanje 36 kV. Hkrati je najvišja napetost v dejansko izvedenih električnih transformatorjih dosegla 1150 kV. Tako visoke transformatorske napetosti in njihovo delovanje na nadzemnih električnih vodih, izpostavljenih streli, so pripeljali do zelo specifičnih transformatorskih težav, ki so tuje električnim strojem.

To je povzročilo proizvodnjo tehnoloških problemov, ki so bili tako drugačni od tehnoloških problemov elektrotehnike, da je postala ločitev transformatorjev v samostojno proizvodnjo neizogibna. Tako je izginil prvi razlog - industrijska povezava, zaradi katere so se transformatorji približali električnim strojem.

Drugi razlog je temeljne narave in je v tem, da električni transformatorji, ki se uporabljajo v praksi, kot tudi električni stroji temeljijo na princip elektromagnetne indukcije (Faradayev zakon), — med njima ostaja neomajna vez. Hkrati je za razumevanje številnih pojavov v strojih za izmenični tok nujno potrebno poznavanje fizikalnih procesov, ki se pojavljajo v transformatorjih, poleg tega pa je teorijo velikega razreda strojev za izmenični tok mogoče zmanjšati na teorijo transformatorjev, saj s tem olajšamo njihovo teoretično obravnavo.

Zato ima v teoriji strojev na izmenični tok močno mesto teorija transformatorjev, iz česar pa ne sledi, da lahko transformatorje imenujemo električni stroji. Poleg tega je treba upoštevati, da imajo transformatorji drugačen cilj in postopek pretvorbe energije kot električni stroji.

Namen električnega stroja je pretvarjanje mehanske energije v električno energijo (generator) ali obratno, električne energije v mehansko energijo (motor), pri transformatorju pa gre za pretvorbo neke vrste električne energije izmeničnega toka v izmenično trenutna električna energija. tok drugačne vrste.