Jaka jest zasada działania transformatora? Przekładniki prądowe - zasada działania i zastosowanie

Transformator to statyczne urządzenie elektromagnetyczne posiadające dwa lub więcej uzwojeń sprzężonych indukcyjnie i przeznaczone do przekształcania, poprzez indukcję elektromagnetyczną, jednego lub większej liczby systemów prądu przemiennego w jeden lub więcej innych systemów prądu przemiennego.

Transformatory są szeroko stosowane do następujących celów.

Do przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej. Zazwyczaj w elektrowniach generatory prądu przemiennego wytwarzają energię elektryczną o napięciu 6-24 kV.

Do zasilania różnych obwodów sprzętu radiowego i telewizyjnego; urządzenia komunikacyjne, automatyka w telemechanice, elektryczny sprzęt AGD; do oddzielania obwodów elektrycznych różnych elementów tych urządzeń; do dopasowania napięcia

Włączenie elektrycznych przyrządów pomiarowych i niektórych urządzeń, takich jak przekaźniki, do obwodów elektrycznych wysokiego napięcia lub obwodów, przez które przepływają duże prądy, w celu rozszerzenia granic pomiarowych i zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego. Transformatory stosowane w tym celu nazywane są zmierzenie. Mają stosunkowo małą moc, określoną mocą pobieraną przez elektryczne przyrządy pomiarowe, przekaźniki itp.

Zasada działania transformatora

Obwód elektromagnetyczny jednofazowego transformatora dwuuzwojeniowego składa się z dwóch uzwojeń (rys. 2.1) umieszczonych na zamkniętym obwodzie magnetycznym wykonanym z materiału ferromagnetycznego. Zastosowanie ferromagnetycznego rdzenia magnetycznego umożliwia wzmocnienie sprzężenia elektromagnetycznego między uzwojeniami, to znaczy zmniejszenie oporu magnetycznego obwodu, przez który przechodzi strumień magnetyczny maszyny. Uzwojenie pierwotne 1 jest podłączone do źródła prądu przemiennego - sieci elektrycznej o napięciu u 1 . Rezystancja obciążenia Z H jest podłączona do uzwojenia wtórnego 2.

Nazywa się uzwojenie wyższego napięcia uzwojenie wysokiego napięcia (HV) i niskiego napięcia - uzwojenie niskiego napięcia (NN). Początki i końce uzwojenia WN oznaczono literami A I X; Uzwojenia niskiego napięcia - litery A I X.

Po podłączeniu do sieci w uzwojeniu pierwotnym pojawia się prąd przemienny I 1 , który wytwarza przemienny strumień magnetyczny F, zamykający się wzdłuż obwodu magnetycznego. Przepływ F indukuje zmienne siły elektromotoryczne w obu uzwojeniach - mi 1 I mi 2 , proporcjonalna, zgodnie z prawem Maxwella, do liczby zwojów w 1 i w 2 Odpowiednie uzwojenie i szybkość zmian strumienia D F/ dt.

Zatem chwilowe wartości emf indukowanego w każdym uzwojeniu wynoszą

mi 1 = - w 1 d F/dt; e2= -w 2 dФ/dt.

W związku z tym stosunek chwilowego i skutecznego pola elektromagnetycznego w uzwojeniach jest określony przez wyrażenie

W związku z tym należy odpowiednio dobrać liczbę zwojów uzwojenia przy danym napięciu U 1 możesz uzyskać pożądane napięcie U 2 . Jeśli konieczne jest zwiększenie napięcia wtórnego, wówczas liczba zwojów w 2 jest większa niż liczba w 1; taki transformator nazywa się wzrastający Jeśli chcesz zmniejszyć napięcie U 2 , wówczas liczba zwojów w 2 jest mniejsza niż w 1; taki transformator nazywa się zniżkowy,

Stosunek pola elektromagnetycznego mi Uzwojenia WN o wyższym napięciu do pola elektromagnetycznego mi Nazywa się uzwojenia niskiego napięcia (lub stosunek ich liczby zwojów). współczynnik transformacji

k= mi VN / mi NN = w VN / w NN

Współczynnik k zawsze większy niż jeden.

W systemach przesyłu i dystrybucji energii stosuje się niekiedy transformatory trójuzwojeniowe, zaś w urządzeniach radiowych i automatyki – wielouzwojeniowe. W takich transformatorach na rdzeniu magnetycznym umieszcza się trzy lub więcej odizolowanych od siebie uzwojeń, co umożliwia otrzymanie dwóch lub więcej różnych napięć podczas zasilania jednego z uzwojeń (U 2 ,U 3 ,U 4 itd.) do zasilania dwóch lub więcej grup odbiorców. W trójuzwojeniowych transformatorach mocy rozróżnia się uzwojenia wysokiego, niskiego i średniego napięcia (SN).

W transformatorze przetwarzane są tylko napięcia i prądy. Moc pozostaje w przybliżeniu stała (nieco maleje z powodu wewnętrznych strat energii w transformatorze). Stąd,

I 1 /I 2 ≈ U 2 /U 1 ≈ w 2 /w 1 .

Kiedy napięcie wtórne transformatora wzrasta w k razy w porównaniu do prądu pierwotnego I 2 w uzwojeniu wtórnym odpowiednio maleje k raz.

Transformator może pracować wyłącznie w obwodach prądu przemiennego. Jeśli uzwojenie pierwotne transformatora jest podłączone do źródła prądu stałego, w jego przewodzie magnetycznym powstaje strumień magnetyczny, którego wielkość i kierunek są stałe w czasie. Dlatego w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym w stanie ustalonym pole elektromagnetyczne nie jest indukowane, a zatem energia elektryczna nie jest przenoszona z obwodu pierwotnego do wtórnego. Ten tryb jest niebezpieczny dla transformatora, ponieważ z powodu braku pola elektromagnetycznego mi 1 prąd uzwojenia pierwotnego I 1 =U 1 R 1 jest dość duży.

Ważną właściwością transformatora stosowanego w urządzeniach automatyki i elektroniki radiowej jest jego zdolność do przetwarzania rezystancji obciążenia. Jeśli podłączysz rezystancję do źródła prądu przemiennego R przez transformator z przekładnią transformacyjną Do, następnie dla obwodu źródłowego

R" = P 1 /I 1 2 ≈ P 2 /I 1 2 ≈ ja 2 2 R/I 1 2 ≈ k 2 R

Gdzie R 1 - moc pobierana przez transformator ze źródła prądu przemiennego, W; R 2 = ja 2 2 R≈ P 1 - moc pobierana przez rezystancję R z transformatora.

Zatem, transformator zmienia wartość rezystancji R na k 2 raz. Właściwość ta jest szeroko stosowana przy opracowywaniu różnych obwodów elektrycznych w celu dopasowania rezystancji obciążenia do rezystancji wewnętrznej źródeł energii elektrycznej.

Transformator to statyczne urządzenie elektromagnetyczne z dwoma (lub większą liczbą) uzwojeń, najczęściej przeznaczone do przetwarzania prądu przemiennego o jednym napięciu na prąd przemienny o innym napięciu. Konwersja energii w transformatorze odbywa się za pomocą zmiennego pola magnetycznego. Transformatory znajdują szerokie zastosowanie w przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości, rozdzielaniu jej pomiędzy odbiornikami, a także w różnych urządzeniach prostowniczych, wzmacniających, sygnalizacyjnych i innych.

Przesyłając energię elektryczną z elektrowni do odbiorców, natężenie prądu w linii powoduje straty energii w tej linii i zużycie metali nieżelaznych na jej urządzenie. Jeśli przy tej samej przesyłanej mocy zostanie zwiększone napięcie, w tym samym stopniu zmniejszy się natężenie prądu, dlatego możliwe będzie zastosowanie przewodów o mniejszym przekroju. Zmniejszy to zużycie metali nieżelaznych przy budowie linii elektroenergetycznej i zmniejszy w niej straty energii.

Energia elektryczna wytwarzana jest w elektrowniach za pomocą generatorów synchronicznych o napięciu 11-20 kV; w niektórych przypadkach stosuje się napięcie 30-35 kV. Chociaż takie napięcia są zbyt wysokie do bezpośredniego użytku przemysłowego i domowego, nie są wystarczające do ekonomicznego przesyłu energii elektrycznej na duże odległości. Dalsze podwyższanie napięcia w liniach elektroenergetycznych (do 750 kV i więcej) realizowane jest za pomocą transformatorów podwyższających napięcie.

Odbiorniki energii elektrycznej (żarówki, silniki elektryczne itp.) ze względów bezpieczeństwa działają na niższym napięciu (110-380 V). Ponadto produkcja urządzeń elektrycznych, przyrządów i maszyn na wysokie napięcie wiąże się ze znacznymi trudnościami projektowymi, ponieważ części przewodzące prąd tych urządzeń pod wysokim napięciem wymagają wzmocnionej izolacji. Dlatego wysokie napięcie, przy którym przesyłana jest energia, nie może być bezpośrednio wykorzystane do zasilania odbiorników i jest do nich dostarczane poprzez transformatory obniżające.

Energia elektryczna prądu przemiennego musi zostać przetworzona 3–4 razy na drodze od elektrowni, w której jest wytwarzana, do konsumenta. W sieciach dystrybucyjnych transformatory obniżające napięcie są ładowane niejednocześnie i nie z pełną mocą. Zatem łączna moc transformatorów wykorzystywanych do przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej jest 7-8 razy większa niż moc generatorów zainstalowanych w elektrowniach.

Konwersja energii w transformatorze odbywa się za pomocą zmiennego pola magnetycznego za pomocą rdzenia magnetycznego.

Napięcia uzwojenia pierwotnego i wtórnego zwykle nie są takie same. Jeśli napięcie pierwotne jest mniejsze niż napięcie wtórne, transformator nazywa się podwyższaniem, jeśli jest większe niż napięcie wtórne, nazywa się to obniżaniem. Każdy transformator może być używany zarówno jako transformator podwyższający, jak i obniżający. Transformatory podwyższające służą do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości, a transformatory obniżające służą do jej dystrybucji między odbiorcami.

W zależności od przeznaczenia wyróżnia się transformatory mocy, przekładniki napięciowe i przekładniki prądowe

Transformatory mocy przekształcanie prądu przemiennego o jednym napięciu na prąd przemienny o innym napięciu w celu zaopatrywania odbiorców w energię elektryczną. W zależności od celu mogą się one zwiększać lub zmniejszać. W sieciach dystrybucyjnych z reguły stosuje się trójfazowe dwuuzwojeniowe transformatory obniżające napięcie, przekształcające napięcia 6 i 10 kV na napięcie 0,4 kV. (Główne typy transformatorów to TMG, TMZ, TMF, TMB, TME, TMGSO, TM, TMZH, TDTN, TRDN, TSZ, TSZN, TSZGL i inne.)

Transformatory napięciowe- Są to transformatory pośrednie, za pośrednictwem których przyrządy pomiarowe są włączane przy wysokich napięciach. Dzięki temu przyrządy pomiarowe są izolowane od sieci, co pozwala na stosowanie przyrządów standardowych (z przeskalowaną skalą) i tym samym poszerza granice mierzonych napięć.

Przekładniki napięciowe stosowane są zarówno do pomiaru napięcia, mocy, energii, jak i do zasilania obwodów automatyki, sygnalizacji alarmowej i zabezpieczenia przekaźnikowego linii elektroenergetycznych przed zwarciami doziemnymi.

W niektórych przypadkach przekładniki napięciowe można stosować jako transformatory obniżające napięcie małej mocy lub jako transformatory testowe podwyższające (do testowania izolacji urządzeń elektrycznych).

Na rynku rosyjskim prezentowane są następujące typy przekładników napięciowych:

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 35 , 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 i inne.

W przypadku przekładników napięciowych uzwojenie pierwotne wynosi 3000/√3, 6000/√3, 10000/√3, 13800/√3, 18000/√3, 24000/√3, 27000/√3, 35000/√3, 66000 /√3, 110000/√3, 150000/√3, 220000/√3, 330000/√3, 400000/√3, 500000/√3 i wtórne 100/√3 lub 110/√3.

Przekładnik prądowy jest urządzeniem pomocniczym, w którym prąd wtórny jest praktycznie proporcjonalny do prądu pierwotnego i jest przeznaczony do włączania przyrządów pomiarowych i przekaźników w obwodach elektrycznych prądu przemiennego.

Dostarczane w klasie dokładności: 0,5; 0,5S; 0,2; 0,2 S.

Przekładniki prądowe służą do przetwarzania prądu o dowolnej wartości i napięciu na prąd dogodny do pomiaru za pomocą standardowych przyrządów (5 A), zasilania uzwojeń prądowych przekaźników, urządzeń rozłączających, a także izolowania urządzeń i obsługującego ich personelu od wysokiego napięcia.

WAŻNY! Przekładniki prądowe dostępne są w następujących przekładniach: 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, 10000/5.
Przekładniki prądowe na rynku rosyjskim reprezentowane są przez następujące modele:

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, TSL-20-I, TPL-20, TPL-35, TOL-35, TOL-35-III-IV, TOL-35 II-7.2, TLC-35, TV, TLC-10, TPL-10S, TLM-10, TSHLP-10, TPK-10, TVLM -10, TVK-10, TVLM-6, TLK-20, TLK-35-1, TLK-35-2, TLK-35-3, TOL-SESH 10, TOL-SESH-20, TOL-SESH-35, TSHL-SESH 0,66, transformatory 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 i inne.

Klasyfikacja przekładników napięciowych

Przekładniki napięciowe różnią się:

A) według liczby faz - jednofazowe i trójfazowe;
b) według liczby zwojów - dwuuzwojeniowe, trzyuzwojeniowe, czterouzwojeniowe.
Przykład 0,5/0,5S/10P;
c) według klasy dokładności, tj. według dopuszczalnych wartości błędów;
d) metodą chłodzenia - transformatory z chłodzeniem olejowym (olejowym), naturalnym chłodzeniem powietrzem (suchym i z izolacją odlewaną);
e) według rodzaju instalacji - dla instalacji wewnętrznej, dla instalacji na zewnątrz i dla kompletnej rozdzielnicy.

Dla napięć do 6-10 kV przekładniki napięciowe produkowane są na sucho, to znaczy z naturalnym chłodzeniem powietrzem. Dla napięć powyżej 6-10 kV stosuje się przekładniki napięciowe olejowe.

Transformatory wnętrzowe przeznaczone są do pracy w temperaturze otoczenia od -40 do + 45°C i wilgotności względnej do 80%.

W transformatory jednofazowe dla napięć od 6 do 10 kV, stosuje się głównie izolację laną. Transformatory z izolacją odlewaną są całkowicie lub częściowo (jedno uzwojenie) wypełnione masą izolacyjną (żywicą epoksydową). Takie transformatory, przeznaczone do montażu w pomieszczeniach, różnią się korzystnie od transformatorów olejowych: mają mniejszą wagę i gabaryty oraz prawie nie wymagają konserwacji podczas pracy.

Trójfazowe transformatory dwuuzwojeniowe napięcia mają konwencjonalne trójprętowe obwody magnetyczne i trójuzwojeniowe - jednofazowe opancerzone.
Trójfazowy transformator trójuzwojeniowy to grupa trzech jednofazowych jednostek jednobiegunowych, których uzwojenia są połączone według odpowiedniego obwodu. Trójfazowe trójuzwojeniowe przekładniki napięciowe starej serii (sprzed 1968-1969) miały pancerne rdzenie magnetyczne. Transformator trójfazowy ma mniejszą masę i wymiary niż grupa trzech transformatorów jednofazowych. Używając transformatora trójfazowego jako rezerwowego, musisz mieć inny transformator pracujący z pełną mocą
W transformatorach zanurzonych w oleju głównym czynnikiem izolacyjnym i chłodzącym jest olej transformatorowy.

Transformator olejowy składa się z obwodu magnetycznego, uzwojeń, zbiornika, pokrywy z wejściami. Rdzeń magnetyczny jest złożony z arkuszy walcowanej na zimno stali elektrotechnicznej, izolowanych od siebie (w celu zmniejszenia strat spowodowanych prądami wirowymi). Uzwojenia wykonane są z drutu miedzianego lub aluminiowego. Aby regulować napięcie, uzwojenie WN ma gałęzie podłączone do przełącznika. Transformatory zapewniają dwa rodzaje przełączania zaczepów: pod obciążeniem - przełącznik zaczepów pod obciążeniem (regulacja pod obciążeniem) i bez obciążenia, po odłączeniu transformatora od sieci - przełączanie pod obciążeniem (przełączanie bez wzbudzenia). Drugi sposób regulacji napięcia jest najpowszechniejszy i najprostszy.

Oprócz wyżej wymienionych transformatorów chłodzonych olejem (Transformer TM) produkowane są transformatory w konstrukcji uszczelnionej (TMG), w której olej nie łączy się z powietrzem, a zatem wykluczone jest jego przyspieszone utlenianie i zawilgocenie. Transformatory olejowe w szczelnej konstrukcji są całkowicie wypełnione olejem transformatorowym i nie posiadają ekspandera, a zmiany temperatury w jego objętości podczas ogrzewania i chłodzenia są kompensowane przez zmiany objętości pofałdowań ścianek zbiornika. Transformatory te napełnia się olejem pod próżnią, co zwiększa wytrzymałość elektryczną ich izolacji.

Transformator suchy podobnie jak olejowy, składa się z rdzenia magnetycznego oraz uzwojeń WN i NN, zamkniętych w obudowie ochronnej. Głównym czynnikiem izolującym i chłodzącym jest powietrze atmosferyczne. Powietrze jest jednak mniej doskonałym medium izolacyjnym i chłodzącym niż olej transformatorowy. Dlatego w transformatorach suchych wszystkie szczeliny izolacyjne i kanały wentylacyjne są większe niż w transformatorach olejowych.

Transformatory suche produkowane są z uzwojeniami z izolacją szklaną o klasie żaroodporności B (TSZ) oraz z izolacją na lakierach silikonowych klasy N (TSZK). Aby zmniejszyć higroskopijność, uzwojenia są impregnowane specjalnymi lakierami. Zastosowanie włókna szklanego lub azbestu jako izolacji uzwojeń może znacznie podnieść temperaturę pracy uzwojeń i uzyskać praktycznie ognioodporną instalację. Ta właściwość transformatorów suchych pozwala na ich zastosowanie do montażu wewnątrz suchych pomieszczeń w przypadkach, gdy decydujące znaczenie ma zapewnienie bezpieczeństwa pożarowego instalacji. Czasami transformatory suche zastępuje się droższymi i trudniejszymi w produkcji transformatorami suchymi.

Transformatory suche mają nieco większe gabaryty i masę (transformator TSZ) oraz mniejszą przeciążalność niż transformatory olejowe i przeznaczone są do pracy w pomieszczeniach zamkniętych o wilgotności względnej nie większej niż 80%. Zaletami transformatorów suchych są bezpieczeństwo pożarowe (brak oleju), względna prostota konstrukcji i stosunkowo niskie koszty eksploatacji.

Klasyfikacja przekładników prądowych

Przekładniki prądowe są klasyfikowane według różnych kryteriów:

1. Przekładniki prądowe ze względu na przeznaczenie można podzielić na pomiarowe (TOL-SESH-10, TLM-10), ochronne, pośrednie (do włączania przyrządów pomiarowych w obwody prądowe zabezpieczeń przekaźnikowych, do wyrównywania prądów w obwodach zabezpieczeń różnicowych, itp.) i laboratoryjne (wysoka dokładność, a także wiele współczynników transformacji).

2. Ze względu na rodzaj instalacji rozróżnia się przekładniki prądowe:
a) do montażu na zewnątrz, instalowanego w rozdzielnicach otwartych (TLK-35-2.1 UHL1);
b) do montażu wewnątrz pomieszczeń;
c) wbudowane w urządzenia i maszyny elektryczne: przełączniki, transformatory, generatory itp.;
d) napowietrzne - umieszczone na górze przepustu (na przykład na wejściu wysokiego napięcia transformatora mocy);
e) przenośne (do pomiarów kontrolnych i badań laboratoryjnych).

3. Zgodnie z projektem uzwojenia pierwotnego przekładniki prądowe dzielą się:
a) wielozwojowy (cewka, uzwojenie pętlowe i uzwojenie ósemkowe);
b) jednoobrotowy (pręt);
c) opony (TSh-0,66).

4. Według metody instalacji przekładniki prądowe do instalacji wewnętrznej i zewnętrznej dzielą się:
a) punkty kontrolne (TPK-10, TPL-SESH-10);
b) wsparcie (TLK-10, TLM-10).

5. Ze względu na izolację przekładniki prądowe można podzielić na grupy:
a) z izolacją suchą (porcelana, bakelit, izolacja z żywicy epoksydowej itp.);
b) z izolacją papierowo-olejową i z izolacją papierowo-olejową kondensatorów;
c) wypełnione związkiem.

6. Według liczby stopni transformacji istnieją przekładniki prądowe:
a) jednostopniowy;
b) dwustopniowy (kaskada).

7. Transformatory klasyfikuje się według napięcia roboczego:
a) dla napięcia znamionowego powyżej 1000 V;
b) dla napięcia znamionowego do 1000 V.

Do oznaczenia typu przekładnika prądowego, składającego się z części alfabetycznej i cyfrowej, wprowadza się kombinację różnych cech klasyfikacyjnych.

Przekładniki prądowe charakteryzują się prądem znamionowym, napięciem, klasą dokładności i konstrukcją. Przy napięciu 6-10 kV wykonywane są jako uzwojenia wsporcze i przelotowe z jednym lub dwoma uzwojeniami wtórnymi o klasie dokładności 0,2; 0,5; 1 i 3. Klasa dokładności oznacza maksymalny błąd wprowadzany przez przekładnik prądowy do wyników pomiarów. Do pomiarów laboratoryjnych stosuje się transformatory o klasach dokładności 0,2, które charakteryzują się błędem minimalnym, 0,5 - do zasilania liczników, 1 i 3 - do zasilania uzwojeń prądowych przekaźników i technicznych przyrządów pomiarowych. Aby zapewnić bezpieczną pracę, uzwojenia wtórne muszą być uziemione i nie mogą mieć przerwy w obwodzie.
Przy instalowaniu rozdzielnic o napięciu 6-10 kV stosuje się przekładniki prądowe w izolacji żeliwnej i porcelanowej, a dla napięć do 1000 V - w izolacji żeliwnej, bawełnianej i porcelanowej.

Przykładem jest referencyjny 2-uzwojeniowy przekładnik prądowy TOL-SESH-10 z izolacją odlewaną na napięcie znamionowe 10 kV, wersja konstrukcyjna 11, z uzwojeniami wtórnymi:

Do łączenia obwodów pomiarowych o klasie dokładności 0,5 i obciążeniu 10 VA;
- do podłączenia obwodów ochronnych o klasie dokładności 10P i obciążeniu 15 VA;

Dla znamionowego prądu pierwotnego 150 amperów, znamionowego prądu wtórnego 5 amperów, modyfikacji klimatycznej „U”, kategorii umieszczenia 2 zgodnie z GOST 15150-69 przy składaniu zamówienia na produkcję w JSC VolgaEnergoKomplekt:

TOL-SESH-10-11-0.5/10R-10/15-150/5 U2 - o znamionowym prądzie pierwotnym - 150A, wtórnym - 5A.

Działanie transformatora opiera się na zjawisku wzajemnej indukcji. Jeżeli uzwojenie pierwotne transformatora jest podłączone do źródła prądu przemiennego, wówczas będzie przez niego przepływał prąd przemienny, co wytworzy przemienny strumień magnetyczny w rdzeniu transformatora. Ten strumień magnetyczny, przenikający zwoje uzwojenia wtórnego, indukuje w nim siłę elektromotoryczną (EMF). Jeżeli uzwojenie wtórne zostanie zwarte do dowolnego odbiornika energii, wówczas pod wpływem indukowanego pola elektromagnetycznego prąd zacznie płynąć przez to uzwojenie i przez odbiornik energii.

Jednocześnie w uzwojeniu pierwotnym pojawi się również prąd obciążenia. Tym samym energia elektryczna podlegająca przemianie przekazywana jest z sieci pierwotnej do sieci wtórnej przy napięciu, dla którego zaprojektowany jest odbiornik energii podłączony do sieci wtórnej.

W celu poprawy połączenia magnetycznego pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, są one umieszczone na stalowym rdzeniu magnetycznym. Uzwojenia są odizolowane zarówno od siebie, jak i od obwodu magnetycznego. Uzwojenie wyższego napięcia nazywane jest uzwojeniem wysokiego napięcia (HV), a uzwojenie niższego napięcia nazywane jest uzwojeniem niskiego napięcia (NN). Uzwojenie podłączone do sieci źródła energii elektrycznej nazywa się pierwotnym; uzwojenie, z którego energia dostarczana jest do odbiornika, jest wtórne.

Zazwyczaj napięcia uzwojenia pierwotnego i wtórnego nie są takie same. Jeśli napięcie pierwotne jest mniejsze niż napięcie wtórne, transformator nazywa się podwyższaniem, jeśli jest większe niż napięcie wtórne, nazywa się to obniżaniem. Każdy transformator może być używany zarówno jako transformator podwyższający, jak i obniżający. Transformatory podwyższające służą do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości, a transformatory obniżające służą do jej dystrybucji między odbiorcami.

W transformatorach trójuzwojeniowych na rdzeniu magnetycznym umieszczone są trzy odizolowane od siebie uzwojenia. Transformator taki, zasilany z jednego z uzwojeń, umożliwia odbiór dwóch różnych napięć i dostarczanie energii elektrycznej do dwóch różnych grup odbiorników. Oprócz uzwojeń wysokiego i niskiego napięcia, transformator trójuzwojeniowy ma uzwojenie średniego napięcia (SN).

Uzwojenia transformatora mają przeważnie kształt cylindryczny, wykonany z okrągłego izolowanego drutu miedzianego przy małych prądach i z prostokątnych prętów miedzianych przy dużych prądach.

Uzwojenie niskiego napięcia znajduje się bliżej rdzenia magnetycznego, ponieważ łatwiej jest go od niego odizolować niż uzwojenie wysokiego napięcia.

Uzwojenie niskiego napięcia jest izolowane od pręta warstwą jakiegoś materiału izolacyjnego. Ta sama uszczelka izolacyjna jest umieszczona pomiędzy uzwojeniem wysokiego i niskiego napięcia.

W przypadku uzwojeń cylindrycznych zaleca się nadanie przekroju rdzenia magnetycznego okrągłego kształtu, tak aby w obszarze objętym uzwojeniami nie pozostały żadne szczeliny niemagnetyczne. Im mniejsze są szczeliny niemagnetyczne, tym mniejsza jest długość zwojów uzwojenia, a co za tym idzie, masa miedzi dla danego pola przekroju poprzecznego pręta stalowego.

Jednak produkcja okrągłych prętów jest trudna. Rdzeń magnetyczny składa się z cienkich blach stalowych, a uzyskanie okrągłego pręta wymagałoby dużej liczby blach stalowych o różnych szerokościach, a to wymagałoby wykonania wielu matryc. Dlatego w transformatorach dużej mocy pręt ma przekrój schodkowy z liczbą stopni nie większą niż 15-17. Liczbę stopni w przekroju pręta określa liczba kątów w jednej ćwiartce koła. Jarzmo obwodu magnetycznego, czyli jego część łącząca pręty, również ma przekrój schodkowy.

Dla lepszego chłodzenia kanały wentylacyjne instaluje się w rdzeniach magnetycznych, a także w uzwojeniach transformatorów dużej mocy, w płaszczyznach równoległych i prostopadłych do płaszczyzny blach stalowych.
W transformatorach małej mocy pole przekroju drutu jest małe, a uzwojenia są uproszczone. Rdzenie magnetyczne takich transformatorów mają przekrój prostokątny.

Oceny transformatorów

Moc użyteczna, na którą transformator jest projektowany w zależności od warunków ogrzewania, tj. moc jego uzwojenia wtórnego przy pełnym (znamionowym) obciążeniu, nazywana jest mocą znamionową transformatora. Moc ta wyrażana jest w jednostkach mocy pozornej – woltoamperach (VA) lub kilowoltoamperach (kVA). Moc czynną transformatora wyraża się w watach lub kilowatach, tj. mocy, którą można przekształcić z elektrycznej na mechaniczną, cieplną, chemiczną, świetlną itp. Przekroje poprzeczne drutów uzwojeń i wszystkich części transformatora, jak jak również każde urządzenie elektryczne lub maszyna elektryczna, są określane nie przez składnik aktywny prądu lub mocy czynnej, ale przez całkowity prąd przepływający przez przewodnik, a zatem przez całkowitą moc. Wszystkie inne wartości charakteryzujące działanie transformatora w warunkach, dla których jest on zaprojektowany, nazywane są również nominalnymi.

Każdy transformator wyposażony jest w ekran wykonany z materiału niepodlegającego wpływom atmosferycznym. Tabliczka mocowana jest do kadzi transformatora w widocznym miejscu i zawiera dane znamionowe, które są wytrawione, wygrawerowane, wytłoczone lub w inny sposób zapewniający trwałość oznaczeń. Na panelu transformatora wskazane są następujące dane:

1. Marka producenta.
2. Rok produkcji.
3. Numer seryjny.
4. Oznaczenie typu.
5. Numer normy, której odpowiada wyprodukowany transformator.
6. Moc znamionowa (kVA). (W przypadku trzech uzwojeń należy wskazać moc każdego uzwojenia.)
7. Napięcia znamionowe i napięcia odgałęzione uzwojeń (V lub kV).
8. Prądy znamionowe każdego uzwojenia (A).
9. Liczba faz.
10. Częstotliwość prądu (Hz).
11. Schemat i grupa połączeń uzwojeń transformatora.
12. Napięcie zwarciowe (%).
13. Rodzaj instalacji (wewnętrzna lub zewnętrzna).
14. Metoda chłodzenia.
15. Całkowita masa transformatora (kg lub t).
16. Masa oleju (kg lub t).
17. Masa części czynnej (kg lub t).
18. Pozycje przełącznika wskazane na jego napędzie.

W przypadku transformatora chłodzonego sztucznym powietrzem, jego moc jest dodatkowo wskazywana przy wyłączonym chłodzeniu. Numer seryjny transformatora wybity jest także na zbiorniku pod osłoną, na pokrywie w pobliżu wejścia WN fazy A oraz na lewym końcu górnego kołnierza belki jarzmowej obwodu magnetycznego. Symbol transformatora składa się z części alfabetycznej i cyfrowej. Litery mają następujące znaczenie:

T - trójfazowy,
O - jednofazowy,
M - naturalne chłodzenie oleju,
D - chłodzenie oleju nadmuchem (sztucznym powietrzem i naturalnym obiegiem oleju),
C - chłodzenie oleju z wymuszonym obiegiem oleju przez chłodnicę wodną,
DC - olej z nadmuchem i wymuszonym obiegiem oleju,
G - transformator piorunochronny,
H na końcu oznaczenia - transformator z regulacją napięcia pod obciążeniem,
H na drugim miejscu – wypełniony niepalnym ciekłym dielektrykiem,
T na trzecim miejscu to transformator trójuzwojeniowy.

Pierwsza liczba po oznaczeniu literowym transformatora oznacza moc znamionową (kVA), druga liczba - napięcie znamionowe uzwojenia WN (kV). Zatem typ TM 6300/35 oznacza transformator trójfazowy, dwuuzwojeniowy z naturalnym chłodzeniem olejowym, o mocy 6300 kVA i napięciu uzwojenia WN 35 kV. Litera A w oznaczeniu typu transformatora oznacza autotransformator. W oznaczeniu autotransformatorów trójuzwojeniowych litera A jest umieszczona jako pierwsza lub ostatnia. Jeżeli obwód autotransformatora jest głównym (uzwojenia WN i SN tworzą autotransformator, a uzwojenie NN jest dodatkowe), litera A jest umieszczana jako pierwsza, jeśli obwód autotransformatora jest dodatkowy, litera A jest umieszczana na końcu.

Transformator jest niezbędnym urządzeniem w elektrotechnice.

Bez tego system energetyczny w obecnym kształcie nie mógłby istnieć.

Elementy te są również obecne w wielu urządzeniach elektrycznych.

Chętnych do lepszego poznania ich zapraszamy do artykułu, którego tematem jest transformator: zasada działania i rodzaje urządzeń, a także ich przeznaczenie.

Jest to nazwa nadana urządzeniu zmieniającemu wielkość zmiennego napięcia elektrycznego. Istnieją odmiany, które mogą zmieniać swoją częstotliwość.

Wiele urządzeń jest wyposażonych w takie urządzenia, ale są one również używane niezależnie.

Na przykład instalacje zwiększające napięcie w celu przesyłania prądu wzdłuż autostrad elektrycznych.

Podnoszą napięcie generowane przez elektrownię do 35 – 750 kV, co daje podwójną korzyść:

• straty w przewodach są zmniejszone;
• wymagane są mniejsze przewody.

W miejskich sieciach elektrycznych napięcie ponownie obniża się do 6,1 kV, ponownie wykorzystując. W sieciach dystrybucyjnych, które dystrybuują energię elektryczną do odbiorców, napięcie jest obniżane do 0,4 kV (jest to zwykłe 380/).

Zasada działania

Działanie urządzenia transformatorowego opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, które polega na tym, że: gdy zmieniają się parametry pola magnetycznego przepływającego przez przewodnik, powstaje w nim SEM (siła elektromotoryczna). Przewodnik w transformatorze ma postać cewki lub uzwojenia, a całkowity emf jest równy sumie emf każdego zwoju.

Do normalnej pracy konieczne jest wykluczenie kontaktu elektrycznego między zwojami, dlatego używają drutu w osłonie izolacyjnej. Cewka ta nazywana jest wtórną.

Pole magnetyczne wymagane do wygenerowania pola elektromagnetycznego w cewce wtórnej jest wytwarzane przez inną cewkę. Jest podłączony do źródła prądu i nazywa się pierwotnym. Działanie cewki pierwotnej polega na tym, że gdy prąd przepływa przez przewodnik, wokół niego powstaje pole elektromagnetyczne, a jeśli jest ono nawinięte w cewkę, ulega wzmocnieniu.

Jak działa transformator?

Podczas przepływu przez cewkę parametry pola elektromagnetycznego nie ulegają zmianie i nie jest ono w stanie wywołać pola elektromagnetycznego w cewce wtórnej. Dlatego transformatory działają tylko przy napięciu przemiennym.

Na charakter konwersji napięcia wpływa stosunek liczby zwojów w uzwojeniach - pierwotnym i wtórnym. Jest oznaczony jako „Kt” – współczynnik transformacji. Obowiązuje prawo:

Kt = W1 / W2 = U1 / U2,

• W1 i W2 - liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym;
• U1 i U2 - napięcie na ich zaciskach.

Dlatego jeśli w uzwojeniu pierwotnym jest więcej zwojów, wówczas napięcie na zaciskach cewki wtórnej jest niższe. Takie urządzenie nazywa się urządzeniem obniżającym napięcie, a jego Kt jest większe niż jeden. Jeśli w uzwojeniu wtórnym jest więcej zwojów, transformator zwiększa napięcie i nazywany jest transformatorem podwyższającym. Jego Kt jest mniejsze niż jeden.

Duży transformator mocy

Jeśli pominiemy straty (idealny transformator), to z prawa zachowania energii wynika:

P1 = P2,

gdzie P1 i P2 to aktualna moc w uzwojeniach.

Ponieważ P=U*I, otrzymujemy:

• U1 * I1 = U2 * I2;
• I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Kt.

To znaczy:

• w uzwojeniu pierwotnym urządzenia obniżającego napięcie (Kt > 1) płynie prąd o mniejszym natężeniu niż w obwodzie wtórnym;
• z transformatorami podwyższającymi (Kt< 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Okoliczność ta jest brana pod uwagę przy wyborze przekroju drutów do uzwojeń urządzeń.

Projekt

Uzwojenia transformatora są umieszczone na rdzeniu magnetycznym - części wykonanej z ferromagnetyku, transformatora lub innej miękkiej stali magnetycznej. Służy jako przewodnik pola elektromagnetycznego od cewki pierwotnej do cewki wtórnej.

Pod wpływem zmiennego pola magnetycznego w obwodzie magnetycznym powstają również prądy - nazywane są prądami wirowymi. Prądy te prowadzą do utraty energii i nagrzania obwodu magnetycznego. Ta ostatnia, aby zminimalizować to zjawisko, zbudowana jest z wielu odizolowanych od siebie płytek.

Cewki umieszcza się na obwodzie magnetycznym na dwa sposoby:

• w pobliżu;
• nawiń jeden na drugi.

Uzwojenia mikrotransformatorów wykonane są z folii o grubości 20 - 30 mikronów. W wyniku utlenienia jego powierzchnia staje się dielektrykiem i pełni rolę izolacji.

Projekt transformatora

W praktyce osiągnięcie stosunku P1 = P2 jest niemożliwe ze względu na trzy rodzaje strat:

1. rozpraszanie pola magnetycznego;
2. nagrzewanie przewodów i obwodu magnetycznego;
3. histereza.

Straty histerezy to koszty energii potrzebne do odwrócenia magnesowania obwodu magnetycznego. Kierunek linii pola elektromagnetycznego stale się zmienia. Za każdym razem trzeba pokonać opór dipoli w strukturze obwodu magnetycznego, ułożonych w określony sposób w poprzedniej fazie.

Dążą do zmniejszenia strat histerezy poprzez zastosowanie różnych konstrukcji rdzeni magnetycznych.

Tak więc w rzeczywistości wartości P1 i P2 są różne, a stosunek P2 / P1 nazywany jest wydajnością urządzenia. Aby to zmierzyć, stosuje się następujące tryby pracy transformatora:

• bezczynny ruch;
• zwarty;
• z obciążeniem.

W niektórych typach transformatorów pracujących pod napięciem wysokiej częstotliwości nie ma obwodu magnetycznego.

Tryb czuwania

Uzwojenie pierwotne jest podłączone do źródła prądu, a obwód wtórny jest otwarty. Dzięki temu połączeniu w cewce płynie prąd jałowy, który reprezentuje głównie reaktywny prąd magnesujący.

Tryb ten pozwala określić:

• Wydajność urządzenia;
• współczynnik transformacji;
• straty w obwodzie magnetycznym (w języku fachowców - straty w stali).

Obwód transformatora w trybie jałowym

Tryb zwarciowy

Zaciski uzwojenia wtórnego są zwarte bez obciążenia (zwarcie), dzięki czemu prąd w obwodzie jest ograniczony jedynie jego rezystancją. Napięcie przykładane jest do styków pierwotnych, aby prąd w obwodzie uzwojenia wtórnego nie przekraczał prądu znamionowego.

To połączenie pozwala określić straty cieplne uzwojeń (straty miedzi). Jest to konieczne przy realizacji obwodów wykorzystujących rezystancję czynną zamiast prawdziwego transformatora.

Tryb ładowania

W tym stanie odbiorca jest podłączony do zacisków uzwojenia wtórnego.

Chłodzenie

Podczas pracy transformator nagrzewa się.

Stosuje się trzy metody chłodzenia:

1. naturalny: do modeli o małej mocy;
2. wymuszony obieg powietrza (nadmuch wentylatora): modele średniej mocy;
3. potężne transformatory chłodzone są cieczą (głównie olejem).

Urządzenie chłodzone olejem

Rodzaje transformatorów

Urządzenia są klasyfikowane według przeznaczenia, rodzaju obwodu magnetycznego i mocy.

Transformatory mocy

Najliczniejsza grupa. Dotyczy to wszystkich transformatorów pracujących w sieci elektroenergetycznej.

Autotransformator

Ten typ ma styk elektryczny pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Podczas nawijania drutu wyciąga się kilka wniosków - przy przełączaniu między nimi stosuje się inną liczbę zwojów, co zmienia współczynnik transformacji.

• Zwiększona wydajność. Wyjaśnia to fakt, że tylko część mocy jest przekształcana. Jest to szczególnie ważne, gdy różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym jest niewielka.
• Niska cena. Wynika to z mniejszego zużycia stali i miedzi (autotransformator ma kompaktowe wymiary).

Urządzenia te nadają się do stosowania w sieciach o napięciu 110 kV i większym, z skutecznym uziemieniem przy Kt nie wyższym niż 3-4.

Przekładnik prądowy

Służy do zmniejszania prądu w uzwojeniu pierwotnym podłączonym do źródła zasilania. Urządzenie znajduje zastosowanie w układach ochronnych, pomiarowych, sygnalizacyjnych i sterujących. Zaletą w porównaniu do bocznikowych obwodów pomiarowych jest obecność izolacji galwanicznej (brak kontaktu elektrycznego pomiędzy uzwojeniami).

Cewka pierwotna jest podłączona do obwodu prądu przemiennego – testowanego lub kontrolowanego – z obciążeniem połączonym szeregowo. Urządzenie wskaźnikowe, na przykład przekaźnik lub urządzenie pomiarowe, jest podłączone do zacisków uzwojenia wtórnego.

Przekładnik prądowy

Dopuszczalna rezystancja w obwodzie cewki wtórnej jest ograniczona do skąpych wartości - prawie zwarcia. Dla większości cewek prądowych prąd znamionowy w tej cewce wynosi 1 lub 5 A. Po otwarciu obwodu powstaje w nim wysokie napięcie, które może przebić się przez izolację i uszkodzić podłączone urządzenia.

Transformator impulsowy

Działa z krótkimi impulsami, których czas trwania mierzony jest w dziesiątkach mikrosekund. Kształt impulsu praktycznie nie jest zniekształcony. Stosowany głównie w systemach wideo.

Transformator spawalniczy

To urządzenie:

• zmniejsza napięcie;
• zaprojektowany na prąd znamionowy w obwodzie uzwojenia wtórnego do tysięcy amperów.

Można regulować prąd spawania, zmieniając liczbę zwojów uzwojeń biorących udział w procesie (mają kilka zacisków). W tym przypadku zmienia się wartość reaktancji indukcyjnej lub wtórnego napięcia obwodu otwartego. Za pomocą dodatkowych zacisków uzwojenia są podzielone na sekcje, dzięki czemu prąd spawania jest regulowany skokowo.

Wymiary transformatora w dużej mierze zależą od częstotliwości prądu przemiennego. Im wyższy, tym bardziej kompaktowe będzie urządzenie.

Transformator spawalniczy TDM 70-460

Na tej zasadzie opiera się konstrukcja nowoczesnych spawarek inwertorowych. W nich prąd przemienny jest przetwarzany przed dostarczeniem do transformatora:

• prostowane za pomocą mostka diodowego;
• w falowniku - sterowanej mikroprocesorem jednostce elektronicznej z szybko przełączającymi się kluczowymi tranzystorami - ponownie staje się zmienna, ale z częstotliwością 60 - 80 kHz.

Dlatego te spawarki są tak lekkie i małe.

Zasilacze impulsowe stosowane są także np. w komputerach PC.

Transformator izolacyjny

To urządzenie koniecznie ma izolację galwaniczną (nie ma kontaktu elektrycznego między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym), a Kt jest równy jedności. Oznacza to, że transformator izolujący pozostawia napięcie niezmienione. Konieczne jest zwiększenie bezpieczeństwa połączeń.

Dotknięcie elementów znajdujących się pod napięciem sprzętu podłączonego do sieci poprzez taki transformator nie spowoduje poważnego porażenia prądem.

W życiu codziennym ta metoda podłączania urządzeń elektrycznych jest odpowiednia w wilgotnych pomieszczeniach - w łazienkach itp.

Oprócz transformatorów mocy istnieją transformatory izolujące sygnał. Instaluje się je w obwodzie elektrycznym w celu izolacji galwanicznej.

Rdzenie magnetyczne

Istnieją trzy typy:

1. Pręt. Wykonany w formie pręta o przekroju schodkowym. Charakterystyka pozostawia wiele do życzenia, ale są łatwe do wdrożenia.
2. Opancerzony. Lepiej przewodzą pole magnetyczne niż prętowe, a dodatkowo chronią uzwojenia przed wpływami mechanicznymi. Wada: wysoki koszt (wymaga dużej ilości stali).
3. Toroidalny. Najbardziej efektywny typ: tworzą jednolite skoncentrowane pole magnetyczne, co pomaga zmniejszyć straty. Transformatory z toroidalnym rdzeniem magnetycznym mają najwyższą wydajność, ale są drogie ze względu na złożoność produkcji.

Moc

Moc jest zwykle wyrażana w woltoamperach (VA). Według tego kryterium urządzenia są klasyfikowane w następujący sposób:

• mała moc: poniżej 100 VA;
• moc średnia: kilkaset VA;

Istnieją instalacje o dużej mocy, mierzonej w tysiącach VA.

Transformatory różnią się przeznaczeniem i charakterystyką, ale ich zasada działania jest taka sama: zmienne pole magnetyczne generowane przez jedno uzwojenie wzbudza pole elektromagnetyczne w drugim, którego wielkość zależy od liczby zwojów.

Konieczność konwersji napięcia pojawia się bardzo często, dlatego powszechnie stosuje się transformatory. To urządzenie można wykonać niezależnie.

Zasada działania transformatora opiera się na słynnym prawie wzajemnej indukcji. Jeśli włączysz uzwojenie pierwotne tego, prąd przemienny zacznie płynąć przez to uzwojenie. Prąd ten wytworzy zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu. Ten strumień magnetyczny zacznie przenikać zwoje uzwojenia wtórnego transformatora. Na tym uzwojeniu indukowana będzie zmienna siła elektromagnetyczna (siła elektromotoryczna). Jeśli podłączysz (zwarte) uzwojenie wtórne do pewnego rodzaju odbiornika energii elektrycznej (na przykład do konwencjonalnej żarówki), wówczas pod wpływem indukowanej siły elektromotorycznej przez uzwojenie wtórne przepłynie przemienny prąd elektryczny do odbiornik.

Jednocześnie prąd obciążenia będzie płynął przez uzwojenie pierwotne. Oznacza to, że energia elektryczna zostanie przetworzona i przesłana z uzwojenia wtórnego do uzwojenia pierwotnego przy napięciu, na jakie projektowane jest obciążenie (czyli odbiornik energii elektrycznej podłączony do sieci wtórnej). Zasada działania transformatora opiera się na tej prostej interakcji.

Aby poprawić przenoszenie strumienia magnetycznego i wzmocnić sprzęgło magnetyczne, uzwojenia transformatora, zarówno pierwotne, jak i wtórne, umieszczone są na specjalnym stalowym rdzeniu magnetycznym. Uzwojenia są odizolowane zarówno od obwodu magnetycznego, jak i od siebie nawzajem.

Zasada działania transformatora zmienia się w zależności od napięcia uzwojeń. Jeżeli napięcie uzwojenia wtórnego i pierwotnego będzie takie samo, będzie równe jedności, a wtedy utracone zostanie samo znaczenie transformatora jako przetwornika napięcia w sieci. Oddzielne transformatory obniżające i podwyższające. Jeżeli napięcie pierwotne jest mniejsze niż napięcie wtórne, wówczas takie urządzenie elektryczne zostanie nazwane transformatorem podwyższającym napięcie. Jeśli wtórny jest mniejszy, to w dół. Jednak ten sam transformator może być używany zarówno jako transformator podwyższający, jak i obniżający. Transformator podwyższający służy do przesyłania energii na różne odległości, w celach tranzytowych i innych. Urządzenia obniżające służą głównie do redystrybucji energii elektrycznej między odbiorcami. Obliczeń zwykle dokonuje się z uwzględnieniem jego późniejszego wykorzystania jako obniżania lub podwyższania napięcia.

Jak wspomniano powyżej, zasada działania transformatora jest dość prosta. Jednak w jego konstrukcji jest kilka interesujących szczegółów.

W transformatorach trójuzwojeniowych trzy izolowane uzwojenia są umieszczone na rdzeniu magnetycznym. Taki transformator może odbierać dwa różne napięcia i przesyłać energię do dwóch grup odbiorców energii elektrycznej jednocześnie. W tym przypadku mówią, że oprócz uzwojeń niskiego napięcia transformator trójuzwojeniowy ma również uzwojenie średniego napięcia.

Uzwojenia transformatora mają kształt cylindryczny i są całkowicie odizolowane od siebie. Przy takim uzwojeniu przekrój pręta będzie miał okrągły kształt, aby zmniejszyć nienamagnesowane szczeliny. Im mniej takich przerw, tym mniejsza masa miedzi, a co za tym idzie, masa i koszt transformatora.

Wraz z odkryciem i początkiem przemysłowego wykorzystania energii elektrycznej pojawiła się potrzeba stworzenia systemów jej konwersji i dostarczenia do odbiorców. Tak pojawiły się transformatory, których zasada działania zostanie omówiona.

Ich pojawienie się poprzedziło odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej przez wielkiego angielskiego fizyka Michaela Faradaya prawie 200 lat temu. Później on i jego amerykański kolega D. Henry narysowali schemat przyszłego transformatora.

Transformator Faradaya

Pierwsza realizacja pomysłu w żelazie miała miejsce w 1848 roku wraz ze stworzeniem cewki indukcyjnej przez francuskiego mechanika G. Ruhmkorffa. Swój wkład wnieśli także rosyjscy naukowcy. W 1872 roku profesor Uniwersytetu Moskiewskiego A.G. Stoletow odkrył pętlę histerezy i opisał budowę ferromagnesu, a 4 lata później wybitny rosyjski wynalazca P.N. Jabłoczkow otrzymał patent na wynalezienie pierwszego transformatora prądu przemiennego.

Jak działa transformator i jak działa

Transformatory to nazwa ogromnej „rodziny”, która obejmuje transformatory jednofazowe, trójfazowe, obniżające, podwyższające, pomiarowe i wiele innych typów. Ich głównym celem jest konwersja jednego lub większej liczby napięć prądu przemiennego na inne w oparciu o indukcję elektromagnetyczną o stałej częstotliwości.

A więc w skrócie, jak działa najprostszy transformator jednofazowy. Składa się z trzech głównych elementów - uzwojenia pierwotnego i wtórnego oraz obwodu magnetycznego, który łączy je w jedną całość, na której są niejako nawleczone. Źródło jest podłączone wyłącznie do uzwojenia pierwotnego, podczas gdy uzwojenie wtórne usuwa i przekazuje już zmienione napięcie do konsumenta.

Uzwojenie pierwotne podłączone do sieci wytwarza w obwodzie magnetycznym zmienne pole elektromagnetyczne i tworzy strumień magnetyczny, który zaczyna krążyć pomiędzy uzwojeniami, indukując w nich siłę elektromotoryczną (EMF). Jego wartość zależy od liczby zwojów w uzwojeniach. Na przykład, aby obniżyć napięcie, konieczne jest, aby w uzwojeniu pierwotnym było więcej zwojów niż w uzwojeniu wtórnym. Na tej zasadzie działają transformatory obniżające i podwyższające.

Ważną cechą konstrukcji transformatora jest to, że rdzeń magnetyczny ma konstrukcję stalową, a uzwojenia, zwykle o kształcie cylindrycznym, są od niego odizolowane, nie są ze sobą bezpośrednio połączone i mają własne oznaczenia.

Transformatory napięciowe

Jest to prawdopodobnie najliczniejszy typ rodziny transformatorów. W skrócie ich główną funkcją jest udostępnienie energii wyprodukowanej w elektrowniach do wykorzystania przez różne urządzenia. W tym celu istnieje system przesyłu energii składający się z podstacji transformatorowych podwyższających i obniżających oraz linii elektroenergetycznych.

Najpierw energia elektryczna wytwarzana przez elektrownię jest dostarczana do podstacji transformatorowej podwyższającej napięcie (na przykład od 12 do 500 kV). Jest to konieczne, aby zrekompensować nieuniknione straty energii elektrycznej podczas przesyłu na duże odległości.

Kolejnym etapem jest podstacja obniżająca, skąd prąd linią niskiego napięcia dostarczany jest do transformatora obniżającego, a następnie do odbiorcy w postaci napięcia 220 V.

Ale na tym praca transformatorów się nie kończy. Większość otaczających nas urządzeń elektrycznych gospodarstwa domowego - komputerów stacjonarnych, telewizorów, drukarek, pralek automatycznych, lodówek, kuchenek mikrofalowych, odtwarzaczy DVD, a nawet żarówek energooszczędnych ma transformatory obniżające. Przykładem indywidualnego transformatora „kieszonkowego” jest ładowarka do telefonu komórkowego (smartfona).

Ogromna różnorodność nowoczesnych urządzeń elektronicznych i pełnionych przez nie funkcji odpowiada wielu różnym typom transformatorów. To nie jest ich pełna lista: transformatory mocy, impulsowe, spawalnicze, separacyjne, dopasowujące, obrotowe, trójfazowe, szczytowe, przekładniki prądowe, toroidalne, prętowe i pancerzowe.

Kim oni są, transformatorami przyszłości?

Przemysł transformatorowy uważany jest za dość konserwatywny. Niemniej jednak musi liczyć się także z rewolucyjnymi zmianami w elektrotechnice, gdzie nanotechnologia daje o sobie znać coraz głośniej. Podobnie jak wiele innych urządzeń, stopniowo stają się coraz inteligentniejsze.

Trwają aktywne poszukiwania nowych materiałów konstrukcyjnych – izolacyjnych i magnetycznych – które mogłyby zapewnić większą niezawodność urządzeń transformatorowych. Jednym z kierunków mogłoby być zastosowanie materiałów amorficznych, co znacząco zwiększy jego bezpieczeństwo pożarowe i niezawodność.

Pojawią się transformatory przeciwwybuchowe i ognioodporne, w których chlorowane bifenyle, stosowane do impregnacji materiałów elektroizolacyjnych, zostaną zastąpione nietoksycznymi, płynnymi, przyjaznymi dla środowiska dielektrykami.

Przykładem są transformatory mocy SF6, w których funkcję chłodziwa pełni niepalny gaz SF6, sześciofluorek siarki, zamiast dalekiego od bezpiecznego oleju transformatorowego.

Kwestią czasu jest stworzenie „inteligentnych” sieci elektroenergetycznych wyposażonych w półprzewodnikowe transformatory półprzewodnikowe ze sterowaniem elektronicznym, za pomocą których możliwa będzie regulacja napięcia w zależności od potrzeb odbiorców, w szczególności przyłączania OZE i przemysłu źródła zasilania do sieci domowej lub odwrotnie, wyłączaj niepotrzebne, gdy nie są potrzebne.

Innym obiecującym obszarem są niskotemperaturowe transformatory nadprzewodzące. Prace nad ich stworzeniem rozpoczęły się już w latach 60-tych. Głównym problemem, przed którym stoją naukowcy, są ogromne rozmiary systemów kriogenicznych wymaganych do produkcji ciekłego helu. Wszystko zmieniło się w 1986 roku, kiedy odkryto wysokotemperaturowe materiały nadprzewodzące. Dzięki nim możliwa stała się rezygnacja z nieporęcznych urządzeń chłodzących.

Transformatory nadprzewodzące mają wyjątkową jakość: przy dużych gęstościach prądu straty w nich są minimalne, ale gdy prąd osiągnie wartości krytyczne, rezystancja od poziomu zerowego gwałtownie wzrasta.