Transformátor ⭐ ve fyzice: definice, princip činnosti, účel a použití transformátoru

Transformátor je statické zařízení, které je určeno k přeměně napětí a jeho přenosu na velké vzdálenosti bez změny frekvence elektrického proudu.

Nejjednodušší transformátor obsahuje dvě vinutí s izolovanými elektrickými vodiči. Tyto dráty jsou navinuty kolem ocelového laminovaného jádra. Zdroj: hees.ru

Jednoduché vysvětlení principu fungování zařízení

1. Provozní režim je, když sekundární cívka transformátoru přijímá proud, napětí a odpor z primárního okruhu.
2. Režim nečinnosti zahrnuje otevření sekundárního vinutí. Tento režim umožňuje vypočítat transformační poměr a měřit proud, který protéká primárním okruhem.
3. Režim zkratu zahrnuje přímé zkratování konců sekundárního vinutí, ve kterém je odpor v obvodu nulový. V tomto režimu můžete určit ztráty, ke kterým dochází v důsledku zahřívání vinutí.

Máte potíže s daným tématem? Nebojte se, pomůžeme!

Zaregistrujte se na bezplatnou lekci
s lektorem a společně na to všechno přijdeme!

Transformační poměr

Poměr transformátoru je veličina, která ukazuje převodní funkci transformátoru vzhledem k jednomu z parametrů elektrického obvodu: proudu, napětí nebo odporu.

Ve fyzice jsou vzorce pro výpočet této veličiny prezentovány takto:

Klasifikace podle typu

Transformátor je složité zařízení, takže existuje několik klasifikací:

• Podle počtu fází jsou transformátory: jednofázové, třífázové, vícefázové;
• podle počtu závitů: dva, tři, vícevinutí;
• podle principu působení: zmenšování, zvyšování, oddělování;
• podle účelu: silový, měřicí, speciální;
• metodou chlazení: suchá nebo olejová;
• podle typu magnetického obvodu: tyč; obrněný nebo prsten.

Nejrozsáhlejší klasifikací transformátorů je klasifikace podle jejich účelu.

1. Násilím. Jedná se o vysoce výkonná zařízení, která se používají na elektrických vedeních a velkých rozvodnách pro přeměnu elektřiny a její dodávku koncovým uživatelům.
2. Autotransformátory. Taková zařízení se vyznačují tím, že primární a sekundární cívky jsou v nich přímo spojeny.
3. Měření. V takových transformátorech je primární cívka zapojena do série s elektrickým obvodem s jinými zařízeními a sekundární vinutí se používá k měření zařízení a pracuje v režimu zkratu.
4. Napěťové transformátory. Taková zařízení snižují napětí a používají se k izolaci elektrických obvodů a ochraně měřicích přístrojů.
5. Impuls. Takové transformátory jsou navrženy tak, aby převáděly amplitudu a polaritu impulsů bez změny jejich tvaru.
6. Svařování. Tato zařízení pracují při vysokém svařovacím proudu potřebném k roztavení kovu. Síťové napětí musí být sníženo na bezpečnou úroveň.
7. Dělení. Takové transformátory se vyznačují nepřítomností jakéhokoli elektrického spojení mezi vinutími a používají se ke zvýšení bezpečnosti elektrických sítí a vytvoření izolace mezi jejich uzly.
8. Schvalování. Taková zařízení jsou potřebná pro přizpůsobení odporu v elektrických obvodech. Zařízení tohoto typu poskytují nejmenší zkreslení signálů a vytvářejí izolaci mezi zařízeními zahrnutými v elektrickém obvodu.
9. Špičkové transformátory. Tato zařízení převádějí sinusový proud na pulzní napětí.
10. Vzduch. Jedná se o suché chladicí transformátory. Jsou nezbytné pro převod napětí v síti.
11. Olejový. Taková zařízení se používají při vysokém výstupním výkonu, aby se zabránilo zničení izolace vinutí. Systém je chlazen speciálním olejem.
12. Dvojité škrticí klapky. Takové transformátory obsahují dvě identická vinutí, díky nimž je mezi nimi vytvořen protiindukční filtr.
13. Rotující. Taková zařízení se skládají ze 2 půljádrů s vinutím. Cívky se vůči sobě otáčejí. Provoz v takových transformátorech je možný právě díky vysoké rychlosti otáčení.

Aplikace v napájecích zdrojích

Kromě hlavních úkolů jsou zařízení určena pro:

• přenos elektřiny na velké vzdálenosti;
• poskytování potřebného provozního schématu v konvertorových zařízeních;
• přizpůsobení napětí na vstupu a výstupu zařízení – transformátor se používá k provozu celé řady domácích, elektrických, rozhlasových a televizních zařízení. Příkladem může být transformátor v konvici nebo LED lampa.

Tato zařízení se aktivně používají v mnoha oblastech průmyslu: strojírenství, elektroenergetika a doprava.

Jsme zvyklí na to, že napětí v zásuvce je vždy 220 V. Možná ne všichni čtenáři tuší, že než se elektrická energie dostane ke spotřebiteli, transformovala se. Před vstupem do vodičů elektrického vedení se střídavé napětí zvyšovalo na desítky nebo dokonce stovky kilovoltů a na výstupu se snižovalo na 220 V, na které jsme zvyklí. Tyto transformace se prováděly pomocí výkonových transformátorů. V tomto článku vám zjednodušeně řeknu, co je transformátor.

Potřeba převodu střídavého napětí se objevuje téměř v každém kroku. Nejčastěji se setkáváme s potřebou snížit napětí, protože většina jednotek moderních elektronických zařízení pracuje s nízkým napětím. Některé obvody vysokonapěťových jednotek však vyžadují značné napětí, řádově několik tisíc voltů.

Co je to transformátor?

Stručně řečeno, jedná se o stacionární zařízení sloužící k transformaci střídavého napětí při zachování frekvence proudu. Činnost transformátoru je založena na vlastnostech elektromagnetické indukce.

Některá historická fakta

Fungování transformátoru bylo založeno na jevu magnetické indukce, který objevil M. Faraday v roce 1831. Fyzik pracující se stejnosměrným elektrickým proudem si všiml odchylky střelky galvanometru připojené k jedné ze dvou cívek navinutých na jádře. Galvanometr navíc reagoval pouze v okamžiku sepnutí první cívky.

Protože experimenty byly prováděny se zdrojem stejnosměrného proudu, Faraday nemohl objevený jev vysvětlit.

Prototyp transformátoru se objevil až v roce 1848. Vynalezl ho německý mechanik G. Rumkorff, který zařízení nazval indukční cívkou speciální konstrukce. Rumkorff si však nevšiml transformace výstupních napětí. Za datum narození prvního transformátoru se považuje den vydání patentu P. N. Jabločkovovi na vynález zařízení s otevřeným jádrem. Stalo se tak 30.11.1876. listopadu XNUMX.

Typy zařízení s uzavřenými jádry se objevily v roce 1884. Vytvořili je Angličané John a Edward Hopkinsovi.

Technický zájem elektromechaniky o střídavý proud vznikl z velké části až díky vynálezu transformátoru. Myšlenky ruského elektrotechnika M. O. Dolivo-Dobrovolského a světoznámého Nikoly Tesly vyhrály debatu o výhodách střídavého napětí právě díky možnosti transformace proudu.

S vítězstvím myšlenek těchto skvělých elektrotechniků prudce vzrostla potřeba transformátorů, což vedlo k jejich vylepšení a vytvoření nových typů zařízení.

Obecná struktura a princip činnosti

Uvažujme konstrukci jednoduchého transformátoru se dvěma cívkami namontovanými na uzavřeném magnetickém obvodu (viz obr. 2). Cívka, do které je přiváděn proud, se bude nazývat primární cívka a výstupní cívka sekundární cívka.

Ve skutečnosti všechny typy transformátorů využívají elektromagnetickou indukci k transformaci napětí vstupujícího do primárního vinutí. Výstupní napětí je odebíráno ze sekundárních vinutí. Liší se pouze tvarem, materiály magnetického jádra a metodami navíjení cívky.

V nízkofrekvenčních modelech se používají feromagnetická jádra. Pro tato jádra se používají následující materiály:

Některé vysokofrekvenční modely nemusí mít magnetická jádra, zatímco některé produkty používají vysokofrekvenční feritové nebo alsiferové materiály.

Protože nelineární magnetizace je typická pro feromagnetické vlastnosti, jádra se sestavují z plechových materiálů, na které jsou umístěna vinutí. Nelineární indukčnost vede k hysterezi, která se snižuje laminováním magnetických obvodů.

Tvar jádra může být ve tvaru E nebo toroidní.

Základní principy provozu

Když je na svorky primárních vinutí přiveden sinusový proud, vytváří se v druhé cívce střídavé magnetické pole, které proniká magnetickým obvodem. Změna magnetického toku následně vyvolává indukci elektromotorického pole v cívkách. V tomto případě je velikost napětí elektromotorického pole ve vinutích úměrná počtu závitů a frekvenci proudu. Poměr počtu závitů v primárním vinutí k počtu závitů v sekundární cívce se nazývá transformační poměr: k = W₁ / Ž₂, kde symboly W₁ a w₂ Je uveden počet závitů v cívkách.

Provozní režimy

Výkonový transformátor může pracovat ve třech režimech:

• v klidovém stavu;
• režim pod zatížením;
• v režimu zkratu.

Protože v otevřeném obvodu sekundárního vinutí neprotéká žádný proud, v tomto stavu cirkuluje v primárním vinutí klidový proud. Parametry tohoto proudu se používají při výpočtech účinnosti, určuje se transformační poměr a zjišťují se ztráty v jádře.

Hlavním provozním režimem transformátoru je stav, kdy je k jeho druhému vinutí připojena jmenovitá zátěž. Primární proud lze vyjádřit pomocí výslednice proudu naprázdno a vypočítaného proudu odporu zátěže.

V režimu zkratu sekundárního vinutí je veškerý výkon soustředěn v obvodech vinutí. V tomto stavu je možné určit ztráty vynaložené na ohřev vodičů ve vinutích.

Технические характеристики

Důležitou charakteristikou je transformační poměr. Ukazuje závislost výstupního napětí na poměru závitů ve vinutích. Transformační poměr je základním parametrem při výpočtu.

Další důležitou charakteristikou transformátoru je jeho účinnost. U některých zařízení je tento ukazatel 0,9 – 0,98, což charakterizuje nevýznamné ztráty magnetických rozptýlených polí. Výkon P závisí na ploše S průřezu magnetického obvodu. Podle hodnoty S se při výpočtu parametrů transformátoru určuje počet závitů v cívkách: W = 50 / S.

V praxi se výkon volí na základě očekávaného zatížení s přihlédnutím ke ztrátám v jádře. Výkon sekundárního vinutí P_н=U_н× I_нa výkon primární cívky P_с=U_с× I_с. Ideálně P_н = P_с (pokud zanedbáme ztráty v jádře). Pak k = U_с / U_н = I_с / I_н , to znamená, že proudy v každém z vinutí mají nepřímo úměrnou závislost na jejich napětí, a tedy na počtu závitů.

Typy transformátorů

Aby se vyřešily problémy s transformací napětí v různých obvodech, byly vynalezeny transformátory různých konstrukcí. Výrobci si volí vlastní koncepty magnetických obvodů (viz obr. 4), které neovlivňují provoz a parametry zařízení:

• tyčový typ (používá se hlavně pro třífázové konstrukce);
• obrněný typ (třífázová zařízení);
• Toroidní jádro se často používá v transformátorech používaných v různých elektrických zařízeních.

Širší rozsah pokrývá klasifikace podle účelu.

Napájení

Účel výkonového transformátoru je zřejmý z jeho názvu. Pojem výkonový transformátor se používá pro skupinu modelů, obvykle s vysokým výkonem, používaných k přeměně elektrické energie v přenosových vedeních a v různých servisních instalacích.

Během transformace jsou zachovány frekvence střídavého proudu, takže je možné zapojit výkonové transformátory do skupin pro provoz ve vysokonapěťových třífázových sítích.

Výkonová zařízení lze zapojovat do skupin s různými schématy zapojení vinutí: hvězda, trojúhelník nebo klikatá křivka. Hvězdné zapojení je opodstatněné, pokud je zatížení v třífázových sítích symetrické. V opačném případě se upřednostňuje trojúhelník. Při tomto způsobu zapojení proudy primárního vinutí magnetizují každý tyčový magnetický obvod samostatně.

Pak se jednofázový odpor přiblíží vypočítané hodnotě a nerovnováha napětí bude eliminována.

Autotransformátory

Skupina zařízení, u kterých primární a sekundární vinutí tvoří elektrické spojení díky jejich přímému vzájemnému spojení, se nazývá autotransformátory. Charakteristickým znakem této skupiny je několik párů svorek, ke kterým lze připojit zátěž.

Vinutí autotransformátoru mají nejen magnetické, ale i elektrické spojení. Našla uplatnění v přípojkách uzemněných sítí pracujících pod napětím přesahujícím 110 kV, ale s nízkými transformačními poměry – ne více než 3–4.

Proud

Primární vinutí může být zapojeno sériově do elektrického obvodu s jinými zařízeními a dosáhnout galvanického oddělení. Taková zařízení se nazývají proudové transformátory. Primární obvod takových zařízení je řízen změnou jednofázové zátěže a sekundární cívka se používá v měřicích nebo signalizačních obvodech. Druhý název pro tato zařízení je měřicí transformátory.

Zvláštností provozu měřicích transformátorů je speciální režim výstupního vinutí. Funguje v kritickém zkratovém režimu. Při přerušení sekundárního obvodu dochází k prudkému nárůstu napětí, což může způsobit poruchy nebo poškození izolace.

Napětí

Typickou aplikací je izolace logických obvodů pro ochranu měřicích přístrojů před vysokým napětím. Napěťový transformátor je snižující zařízení, které převádí vysoké napětí na nižší napětí.

Puls

Moderní elektronika používá vysokofrekvenční signály, které je často třeba oddělit od ostatních signálů.
Úkolem pulzních transformátorů je převádět pulzní signály při zachování tvaru pulzu.

U vysokofrekvenčních pulzních zařízení jsou kladeny požadavky na maximální zachování tvaru pulzu na výstupu. Důležitý je tvar, nikoli amplituda nebo dokonce znaménko.

Svařování

Při provozu svářečky je důležitý velký svařovací proud. Zároveň se síťové napětí sníží na bezpečnou úroveň. Díky silnému elektrickému proudu obloukový výboj svářečky roztaví kov.

Svařovací transformátor má schopnost postupně regulovat hodnotu proudu v sekundárních obvodech změnou indukčního odporu nebo rozdělením jednoho z vinutí.

Fotografie zařízení je znázorněna na obrázku 6. Všimněte si prosím přítomnosti přepínače.

Svářecí stroje používají konstrukce založené na jednofázových i třífázových transformátorech. Pro svařování některých kovů, například nerezové oceli, se svařovací proud usměrňuje.

Разделительные

Zařízení, u kterých mezi vinutími není žádné elektrické spojení, se nazývají oddělovací transformátory. Oddělovací zařízení pro napájení se používají ke zvýšení bezpečnosti elektrických sítí. Další oblastí použití oddělovacích transformátorů je zajištění galvanického oddělení mezi jednotlivými uzly elektrických obvodů.

Koordinace

Tyto typy zařízení se používají k vyrovnání odporu kaskád elektronických obvodů. Zajišťují minimální zkreslení tvaru signálu a vytvářejí galvanické oddělení mezi uzly elektronických zařízení.

Špičkové transformátory

Zařízení, která převádějí sinusové proudy na pulzní napětí. Polarita výstupních napětí se mění každou půlperiodu.

Vzduch a olej

Výkonové transformátory jsou suché (chlazené vzduchem) (viz obr. 7) a olejové (viz obr. 8).

Modely suchých výkonových transformátorů se nejčastěji používají k transformaci síťového napětí, a to i v třífázových síťových obvodech.

Při připojování zátěže se vinutí zahřívají, což hrozí zničením elektrické izolace. Proto se v sítích s napětím nad 6 kV používají zařízení s olejovým chlazením. Speciální transformátorový olej zvyšuje spolehlivost izolace, což je velmi důležité pro vysoké výstupní výkony.

Dvojitý plyn

Konstrukčně je takové zařízení transformátor se stejnými cívkami. Cívky stejného výkonu tvoří protiinduktivní filtr. Účinnost zařízení je vyšší než u tlumivky (se stejnými rozměry).

rotující

Používají se k výměně signálů s rotujícími bubny. Konstrukčně se skládají ze dvou polovin magnetického obvodu s cívkami. Tyto části se vzájemně otáčejí. Výměna signálů probíhá při vysokých rychlostech otáčení.

Označení na schématech

Transformátory jsou na elektrických schématech jasně znázorněny. Symbolicky jsou znázorněna vinutí, která jsou oddělena magnetickým obvodem ve tvaru tlusté nebo tenké čáry (viz obr. 9).

V diagramech třífázových transformátorů začínají vinutí ze strany jádra.

Aplikace

Kromě přeměny napětí v elektrických sítích se transformátory často používají i v napájecích zdrojích pro elektronická zařízení. Jedná se především o autotransformátory, které současně dodávají několik napětí pro různé jednotky.

Dnes se stále častěji používají beztransformátorové napájecí zdroje. Tam, kde je však vyžadováno napájení silným střídavým proudem, se elektromagnetickým zařízením nelze vyhnout.

Seznam použité literatury

• Katsman M. M. „Elektrické stroje a transformátory.“ 1971
• Kislitsyn A.L. „Transformers“ 2001
• Rodshtein L.P. „Elektrická zařízení“ 1989
• Bartosh A.I. „Elektřina pro zvídavé“ 2019
• Brandina E.P. „Elektrické stroje“ 2004