Jak je transformátor uspořádán a jak funguje, jaké vlastnosti jsou při provozu brány v úvahu

V energetice, elektronice a dalších odvětvích aplikované elektrotechniky je velká role věnována přeměnám elektromagnetické energie z jednoho typu na druhý. Tento problém se zabývá četnými transformačními zařízeními, která jsou vytvořena pro různé výrobní úkoly.

Některé z nich, které mají nejsložitější konstrukci, provádějí například transformaci silných vysokonapěťových energetických toků. 500 nebo 750 kilovoltů v 330 a 110 kV nebo v opačném směru.

Ostatní pracují jako součást malých zařízení domácích spotřebičů, elektronických zařízení, automatizačních systémů. Oni jsou také široce používány. v různých napájecích zdrojích mobilních zařízení.

Transformátory pracují pouze v obvodech střídavého proudu o různých frekvencích a nejsou určeny k použití v obvodech stejnosměrného proudu, které používají jiné typy převodníků.

Transformátory jsou rozděleny do dvou hlavních skupin: jednofázové, napájené jednofázovou sítí střídavého proudu, a třífázové, napájené trojfázovou sítí střídavého proudu.

Transformátory mají velmi různorodý design. Hlavními prvky transformátoru jsou: uzavřené ocelové jádro (magnetické jádro), vinutí a části používané pro připojení magnetického obvodu a cívek s vinutími a instalaci transformátoru do usměrňovače. Trubka jádra je navržena tak, aby vytvořila uzavřenou cestu pro magnetický tok.

Části magnetického obvodu, na nichž jsou umístěna vinutí, se nazývají tyče a části, na nichž nejsou žádná vinutí a které slouží k uzavření magnetického toku v magnetickém obvodu, se nazývají třmeny. Materiálem pro transformátorový magnetický obvod je plechová elektrická ocel (transformátorová ocel). Tato ocel může být různých tříd, tlouštěk, válcování za tepla a za studena.

Obecné principy fungování transformátorů

Víme, že elektromagnetická energie je neoddělitelná. Obvykle je ale reprezentovat ve dvou složkách:

1. elektrické;

2. magnetické.

Je snazší porozumět jevům, které se vyskytují, popisovat procesy, provádět výpočty, navrhovat různá zařízení a obvody. Celá sekce elektrotechniky je věnována samostatným analýzám fungování elektrických a magnetických obvodů.

Elektrický proud, stejně jako magnetický tok, protéká pouze po uzavřeném obvodu s odporem (elektrický nebo magnetický). Je vytvářen vnějšími aplikovanými silami - zdroji napětí odpovídajících energií.

Při zvažování principů fungování transformátorových zařízení však bude nutné současně studovat oba tyto faktory a vzít v úvahu jejich komplexní účinek na přeměnu energie.

Nejjednodušší transformátor se skládá ze dvou vinutí vytvořených vinutím cívek izolovaného drátu, kterým protéká elektrický proud a jedním vedením pro magnetický tok. Obvykle se nazývá jádro nebo magnetické jádro.

Napětí ze zdroje elektrické energie U1 se přivede na vstup jednoho vinutí a ze svorek druhého se po převodu na U2 přivádí do připojené zátěže R.

Při působení napětí U1 proudí proud I1 v uzavřeném obvodu v prvním vinutí, jehož hodnota závisí na impedanci Z, která se skládá ze dvou složek:

1. aktivní odpor vodičů vinutí;

2. reaktivní složka s indukčním charakterem.

Velikost indukčnosti má velký vliv na činnost transformátoru.

Elektrická energie protékající primárním vinutím ve formě proudu I1 je součástí elektromagnetické energie, jejíž magnetické pole je směrováno kolmo k pohybu nábojů nebo k umístění závitů drátu. Jádro transformátoru je umístěno ve své rovině - magnetický obvod, kterým prochází magnetický tok F.

To vše se jasně odráží na obrázku a je přísně dodržováno během výroby. Samotný magnetický obvod je také uzavřen, i když pro určité účely, například pro omezení magnetického toku, mohou být v něm vytvořeny mezery, což zvyšuje jeho magnetický odpor.

V důsledku toku primárního proudu vinutím proniká magnetická složka elektromagnetického pole do magnetického obvodu a cirkuluje skrz něj, překračuje závity sekundárního vinutí, které je uzavřeno na výstupní odpor R.

Pod vlivem magnetického toku je v sekundárním vinutí indukován elektrický proud I2. Jeho hodnota je ovlivněna hodnotou síly aplikované magnetické složky a impedancí obvodu, včetně připojené zátěže R.

Když transformátor pracuje uvnitř magnetického obvodu, vytvoří se společný magnetický tok F a jeho komponenty F1 a F2.

Jak je autotransformátor uspořádán a jak funguje

Mezi transformačními zařízeními jsou zvláště populární zjednodušené konstrukce, které nepoužívají dvě různá vinutí samostatně, ale jedno společné, rozděleno do sekcí. Říká se jim autotransformátory.

Princip fungování takového obvodu prakticky zůstal stejný: vstupní elektromagnetická energie je přeměněna na výstup. Primární proudy I1 protékají vinutími vinutí W1 a sekundární I2 protékají W2. Magnetický obvod poskytuje cestu pro magnetický tok F.

Autotransformátor má galvanické spojení mezi vstupními a výstupními obvody. Protože není převeden veškerý aplikovaný výkon zdroje, ale pouze jeho část, je vytvořena vyšší účinnost než u konvenčního transformátoru.

Takové konstrukce mohou ušetřit na materiálech: ocel pro magnetický obvod, měď pro vinutí. Mají menší váhu a náklady. Proto jsou účinně využívány v energetickém systému od 110 kV a výše.

Prakticky neexistují žádné zvláštní rozdíly v provozních režimech transformátoru a autotransformátoru.

Provozní režimy transformátoru

Během provozu může být jakýkoli transformátor v jednom z následujících stavů:

• bez práce;

• hodnocený režim;

• volnoběh;

• zkrat;

• přepětí.

Režim vypnutí

K jeho vytvoření stačí odebrat napájecí napětí zdroje elektrické energie z primárního vinutí, a tím vyloučit průchod elektrického proudu skrz něj, což vždy činí bez problémů s podobnými zařízeními.

V praxi však při práci se složitými strukturami transformátorů toto opatření zcela neposkytuje bezpečnostní opatření: na vinutí může zůstat napětí a poškodit zařízení, ohrozit personál v důsledku náhodného vystavení proudovým výbojům.

Jak se to může stát?

U transformátorů malé velikosti, které fungují jako napájecí zdroj, jak je znázorněno na horní fotografii, nezpůsobí vnější napětí žádné poškození. Odtud prostě nemá kam vzít. A na energetických zařízeních je třeba brát v úvahu. Budeme analyzovat dvě běžné příčiny:

1. připojení externího zdroje elektřiny;

2. účinek indukovaného napětí.

První možnost

Na složitých transformátorech se nepoužívá jeden, ale několik vinutí, která se používají v různých obvodech. Všechny musí být odpojené napětí.

Navíc na rozvodnách provozovaných v automatickém režimu bez stálého obslužného personálu jsou k autobusům výkonových transformátorů připojeny další transformátory, které zajišťují vlastní potřebu rozvodny elektrickou energií 0,4 kV.Jsou určeny k napájení ochran, automatizačních zařízení, osvětlení, topení a dalších účelů.

Říkají se jim - TSN nebo pomocné transformátory. Pokud je napětí odebráno ze vstupu výkonového transformátoru a jeho sekundární obvody jsou otevřené a práce je prováděna na TSN, pak existuje možnost reverzní transformace, když napětí 220 voltů ze spodní strany proniká na vysokou prostřednictvím připojených výkonových sběrnic. Proto musí být vypnuty.

Indukovaná napěťová akce

Pokud vedení vysokého napětí běžícího pod napětím prochází poblíž sběrnic vypnutého transformátoru, pak proudy, které jimi procházejí, mohou na sběrnicích vyvolat napětí. Je nutné použít opatření k jeho odstranění.

Jmenovitý provozní režim

Toto je normální stav transformátoru během jeho provozu, pro který byl vytvořen. Proudy ve vinutí a na ně přivedená napětí odpovídají vypočteným hodnotám.

Transformátor v režimu nominálního zatížení spotřebovává a převádí kapacity odpovídající návrhovým hodnotám pro celý zdroj, který je pro něj poskytován.

Nečinný režim

Vytváří se, když je do transformátoru přiváděno napětí ze zdroje energie a zátěž je odpojena na svorkách výstupního vinutí, to znamená, že obvod je otevřený. Tím se eliminuje tok proudu sekundárním vinutím.

Transformátor v klidovém režimu spotřebovává nejnižší možný výkon, určený jeho konstrukčními vlastnostmi.

Zkratový režim

Toto je situace, kdy se zátěž připojená k transformátoru ukáže jako zkratovaná, pevně posunutá řetězy s velmi nízkými elektrickými odpory a na to působí celé napájení zdroje napětí.

V tomto režimu je tok obrovských zkratových proudů prakticky neomezený. Mají ohromnou tepelnou energii a jsou schopni spálit dráty nebo zařízení. Navíc působí, dokud nevyhoří výkonový obvod sekundárním nebo primárním vinutím a zlomí se v nejslabším místě.

Toto je nejnebezpečnější režim, který se může vyskytnout během provozu transformátoru a v každém nejneočekávanějším okamžiku v čase. Jeho vzhled lze předvídat a vývoj by měl být omezen. Za tímto účelem používají ochrany, které monitorují nadměrné přípustné proudy na zátěži a co nejrychleji je vypínají.

Přepěťový režim

Vinutí transformátoru jsou pokryta vrstvou izolace, která je vytvořena pro práci pod určitým napětím. Během provozu může být překročen z různých důvodů, které vznikají jak uvnitř elektrického systému, tak v důsledku vystavení atmosférickým jevům.

V továrně je stanovena hodnota přípustného přepětí, které může působit na izolaci po dobu až několika hodin a krátkodobá přepětí vytvářená přechodovými stavy během přepínání zařízení.

Aby se zabránilo jejich nárazu, vytvářejí ochranu proti přepětí, které v případě nouze vypne napájení z obvodu v automatickém režimu nebo omezí vybíjecí impulzy.

Pokračování článku:Hlavní typy provedení transformátorů