Un transformator este un dispozitiv electromagnetic utilizat pentru a converti curentul alternativ de o tensiune și frecvență în curent alternativ de altă tensiune (sau egală) și de aceeași frecvență.
Cuprins
Proiectarea și funcționarea unui transformator
În cel mai simplu caz Transformator conține o înfășurare primară cu numărul de înfășurări W1 și un secundar cu W2. Energia este aplicată la înfășurarea primară, iar sarcina este conectată la înfășurarea secundară. Transferul de energie are loc prin inducție electromagnetică. Pentru a spori cuplajul electromagnetic, înfășurările sunt de obicei montate pe un miez închis (miez magnetic).
În cazul în care tensiunea alternativă U1este aplicat la înfășurarea primară, curentul alternativ I1care induce un flux magnetic F de aceeași formă în miez. Acest flux magnetic induce o forță electromagnetică în înfășurarea secundară. Dacă o sarcină este conectată la circuitul secundar, se produce un curent secundar I2.
Tensiunea în înfășurarea secundară este determinată de raportul dintre spirele W1 și W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, unde k raportul de transformare.
Dacă k<1 atunci U2>U1, iar un astfel de transformator se numește transformator ridicător. Dacă k>1 , atunci U2
Un transformator poate avea mai mult de o înfășurare secundară cu rapoarte de transformare diferite. De exemplu, un transformator de 220 de volți pentru alimentarea becurilor de uz casnic poate avea o înfășurare secundară, de exemplu 500 de volți pentru alimentarea circuitelor anodice și 6 volți pentru alimentarea circuitelor cu incandescență. În primul caz k<1, în al doilea caz k>1.
Un transformator funcționează numai cu tensiuni alternative - fluxul magnetic trebuie să se schimbe pentru ca în înfășurarea secundară să apară CEM.
Tipuri de miez pentru transformatoare
În practică, se folosesc nu numai miezuri de forma indicată. În funcție de utilizarea prevăzută a dispozitivului, miezurile magnetice pot fi realizate în moduri diferite.
Miezuri de miez
Miezurile transformatoarelor de joasă frecvență sunt fabricate din oțel cu proprietăți magnetice pronunțate. Pentru a reduce curenții turbionari, matricea de miez este alcătuită din plăci individuale izolate electric una față de cealaltă. Pentru frecvențe înalte, se folosesc alte materiale, cum ar fi ferita.
Miezul discutat mai sus se numește matrice de miez și este format din două tije. Pentru transformatoarele monofazate, se folosesc și miezuri cu trei nuclee. Acestea au un flux magnetic dispersat mai mic și o eficiență mai mare. În acest caz, atât înfășurarea primară, cât și cea secundară sunt plasate pe miezul central.
Transformatoarele trifazate sunt, de asemenea, realizate pe miezuri trifazate. Înfășurările primare și secundare ale fiecărei faze se află fiecare pe un miez separat. În unele cazuri, sunt utilizate nuclee cu cinci nuclee. Acestea au aceeași dispunere, miezul primar și secundar de fiecare parte a miezului, cele două bare cele mai exterioare de pe fiecare parte fiind folosite pentru închiderea fluxului magnetic numai în anumite operațiuni.
Miezuri blindate
Transformatoarele monofazate sunt realizate cu miezuri blindate - ambele bobine sunt plasate pe miezul central al miezului magnetic. Fluxul magnetic din acest miez este cuplat în mod similar cu o unitate cu trei nuclee, adică prin pereții laterali. Fluxul de împrăștiere este foarte mic în acest caz.
Avantajul acestui tip de construcție este că există un oarecare câștig în dimensiune și greutate datorită posibilității de a umple mai dens fereastra miezului cu înfășurări, astfel încât este avantajos să se utilizeze miezuri blindate pentru transformatoarele de putere mică. Consecința acestui fapt este, de asemenea, un circuit magnetic mai scurt, ceea ce duce la pierderi mai mici în gol.
Dezavantajele sunt că înfășurările sunt mai greu accesibile pentru inspecție și reparații, iar izolația pentru tensiuni înalte este mai complexă de fabricat.
Toroidal
În cazul miezurilor toroidale, fluxul magnetic este complet închis în interiorul miezului și nu există practic nicio scurgere de flux magnetic. Dar aceste transformatoare sunt dificil de înfășurat, astfel încât sunt rareori utilizate, de exemplu, în autotransformatoarele controlate de capacitate mică sau în aplicații de înaltă frecvență în care imunitatea la interferențe este importantă.
Autotransformator
În unele cazuri, este recomandabil să se utilizeze transformatoare în care înfășurările sunt conectate nu numai magnetic, ci și electric. Adică, într-un dispozitiv de creștere, înfășurarea primară face parte din înfășurarea secundară, iar într-un dispozitiv de reducere, înfășurarea secundară face parte din înfășurarea primară. Un astfel de dispozitiv se numește autotransformator (AT).
Un autotransformator coborâtor nu este un simplu divizor de tensiune - în transferul de energie către circuitul secundar este implicat și cuplajul magnetic.
Avantajele autotransformatoarelor sunt:
- pierderi mai mici;
- posibilitatea de reglare continuă a tensiunii;
- dimensiuni mai mici (autotransformatoarele sunt mai ieftine, mai ușor de transportat);
- Costuri mai mici datorită necesarului mai mic de materiale.
Dezavantajele includ necesitatea unei izolații de tensiune mai mare a ambelor înfășurări și lipsa izolației galvanice între intrare și ieșire, care poate transfera efectele intemperiilor de la circuitul primar la cel secundar. În același timp, elementele circuitului secundar nu trebuie să fie puse la pământ. De asemenea, curenții de scurtcircuit mai mari sunt considerați a fi un dezavantaj al AT. În cazul autotransformatoarelor trifazate, înfășurările sunt în general conectate într-o conexiune stea cu un neutru legat la pământ, sunt posibile și alte scheme de conectare, dar prea complicate și greoaie. Acesta este, de asemenea, un dezavantaj care poate limita utilizarea autotransformatoarelor.
Aplicații pentru transformatoare
Proprietatea transformatoarelor de a mări sau micșora tensiunea este utilizată pe scară largă în industrie și în gospodăriile particulare.
Transformarea tensiunii
Nivelul de tensiune industrială are cerințe diferite în diferite faze. Din diverse motive, nu este rentabilă utilizarea generatoarelor de înaltă tensiune pentru producerea de energie electrică. Acesta este motivul pentru care, de exemplu, în centralele hidroelectrice se folosesc generatoare de 6...35 kV. În schimb, transportul de energie electrică necesită tensiuni mai mari - de la 110 kV la 1 150 kV, în funcție de distanță. Această tensiune este apoi redusă din nou la 6...10 kV, distribuită în substațiile locale, de unde este redusă la 380 (220) volți și livrată consumatorului final. În cazul aparatelor de uz casnic și industrial, acesta trebuie, de asemenea, să fie redus, de obicei la 3...36 volți.
Toate aceste etape sunt realizate prin intermediul transformatoare de putere. Acestea pot fi de tip uscat sau de tip ulei. În cazul acestora din urmă, miezul și înfășurările sunt conținute într-un rezervor de ulei, care acționează ca mediu izolator și de răcire.
Izolație galvanică
Izolarea galvanică sporește siguranța aparatelor electrice. Dacă unitatea nu este alimentată direct de la rețeaua de 220 de volți, unde unul dintre conductori este conectat la pământ, ci prin intermediul unui transformator de 220/220 de volți, tensiunea de alimentare rămâne aceeași. Dar dacă piesele care transportă curentul de la sol și cele secundare se ating în același timp, nu va exista un circuit pentru trecerea curentului și riscul de electrocutare va fi mult mai mic.
Măsurarea tensiunii
În toate instalațiile electrice trebuie monitorizat nivelul de tensiune. În cazul în care se utilizează o clasă de tensiune de până la 1000 de volți, voltmetrele se montează direct pe părțile sub tensiune. În instalațiile de peste 1000 de volți, acest lucru nu este posibil - dispozitivele vor fi prea greoaie și ar putea să nu fie sigure în cazul unui defect de izolație. Prin urmare, în astfel de sisteme, voltmetrele sunt conectate la conductoarele de înaltă tensiune prin intermediul unor transformatoare cu un raport de transformare adecvat. De exemplu, pentru rețelele de 10 kV, se utilizează transformatoare 1:100, iar tensiunea de ieșire este de 100 de volți standard. Dacă tensiunea primară își modifică amplitudinea, aceasta se modifică în același timp și în secundar. Scara unui voltmetru este de obicei gradată în intervalul de tensiune primară.
Transformatoarele sunt destul de complexe și costisitoare pentru a fi fabricate și întreținute. Cu toate acestea, în multe aplicații, aceste dispozitive sunt indispensabile și nu există alternativă.
Articole conexe:
