Ο μετασχηματιστής είναι μια ηλεκτρομαγνητική συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή εναλλασσόμενου ρεύματος μιας τάσης και συχνότητας σε εναλλασσόμενο ρεύμα διαφορετικής (ή ίσης) τάσης και της ίδιας συχνότητας.
Περιεχόμενο
Η συσκευή και η λειτουργία του μετασχηματιστή
Στην πιο απλή περίπτωση μετασχηματιστής περιέχει ένα πρωτεύον τύλιγμα με τον αριθμό των στροφών W1 και ένα δευτερεύον με τον αριθμό των στροφών W2. Η ενέργεια παρέχεται στο πρωτεύον τύλιγμα, το φορτίο συνδέεται με το δευτερεύον. Η μεταφορά ενέργειας γίνεται με ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Για να ενισχυθεί η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη, στις περισσότερες περιπτώσεις, οι περιελίξεις τοποθετούνται σε κλειστό πυρήνα (μαγνητικό κύκλωμα).
Εάν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση U στο πρωτεύον τύλιγμα1, μετά ένα εναλλασσόμενο ρεύμα I1, η οποία δημιουργεί μια μαγνητική ροή Φ ίδιας μορφής στον πυρήνα.Αυτή η μαγνητική ροή προκαλεί ένα EMF στη δευτερεύουσα περιέλιξη. Εάν ένα φορτίο είναι συνδεδεμένο στο δευτερεύον κύκλωμα, ένα δευτερεύον ρεύμα I2.
Η τάση στη δευτερεύουσα περιέλιξη καθορίζεται από τον λόγο των στροφών W1 και W2:
U2=U1*(W1/Δ2)=U1/k, όπου k είναι αναλογία μετασχηματισμού.
Αν k<1, τότε U2>U1, και ένας τέτοιος μετασχηματιστής ονομάζεται step-up. Αν k>1, τότε U2<U1, τέτοιος ο μετασχηματιστής ονομάζεται βήμα προς τα κάτω. Δεδομένου ότι η ισχύς εξόδου του μετασχηματιστή είναι ίση με την ισχύ εισόδου (μείον τις απώλειες στον ίδιο τον μετασχηματιστή), μπορούμε να πούμε ότι Pout \u003d Pin, U1*ΕΓΩ1=U2*ΕΓΩ2 και εγώ2=Ι1*k=I1*(W1/Δ2). Έτσι, σε έναν μετασχηματιστή χωρίς απώλειες, οι τάσεις εισόδου και εξόδου είναι ευθέως ανάλογες με τον λόγο των στροφών περιέλιξης. Και τα ρεύματα είναι αντιστρόφως ανάλογα με αυτή την αναλογία.
Ένας μετασχηματιστής μπορεί να έχει περισσότερες από μία δευτερεύουσες περιελίξεις με διαφορετικές αναλογίες. Έτσι, ένας μετασχηματιστής για την τροφοδοσία εξοπλισμού οικιακών λαμπτήρων από δίκτυο 220 volt μπορεί να έχει ένα δευτερεύον τύλιγμα, για παράδειγμα, 500 βολτ για την τροφοδοσία κυκλωμάτων ανόδου και 6 βολτ για την τροφοδοσία κυκλωμάτων πυρακτώσεως. Στην πρώτη περίπτωση k<1, στη δεύτερη - k>1.
Ο μετασχηματιστής λειτουργεί μόνο με εναλλασσόμενη τάση - για την εμφάνιση EMF στη δευτερεύουσα περιέλιξη, η μαγνητική ροή πρέπει να αλλάξει.
Τύποι πυρήνων για μετασχηματιστές
Στην πράξη, χρησιμοποιούνται πυρήνες όχι μόνο του υποδεικνυόμενου σχήματος. Ανάλογα με το σκοπό της συσκευής, τα μαγνητικά κυκλώματα μπορούν να εκτελεστούν με διαφορετικούς τρόπους.
Πυρήνες ράβδων
Τα μαγνητικά κυκλώματα των μετασχηματιστών χαμηλής συχνότητας είναι κατασκευασμένα από χάλυβα με έντονες μαγνητικές ιδιότητες.Για τη μείωση των δινορευμάτων, η συστοιχία πυρήνα συναρμολογείται από ξεχωριστές πλάκες ηλεκτρικά απομονωμένες μεταξύ τους. Για εργασία σε υψηλές συχνότητες, χρησιμοποιούνται άλλα υλικά, για παράδειγμα, φερρίτες.
Ο πυρήνας που εξετάστηκε παραπάνω ονομάζεται πυρήνας και αποτελείται από δύο ράβδους. Για μονοφασικούς μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται επίσης μαγνητικά κυκλώματα τριών ράβδων. Έχουν μικρότερη μαγνητική ροή διαρροής και υψηλότερη απόδοση. Σε αυτή την περίπτωση, τόσο η κύρια όσο και η δευτερεύουσα περιέλιξη βρίσκονται στην κεντρική ράβδο του πυρήνα.
Τριφασικοί μετασχηματιστές κατασκευάζονται επίσης σε πυρήνες τριών ράβδων. Έχουν τις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις κάθε φάσης, το καθένα που βρίσκεται στον δικό του πυρήνα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται μαγνητικά κυκλώματα πέντε ράβδων. Οι περιελίξεις τους βρίσκονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο - κάθε πρωτεύον και δευτερεύον στη δική του ράβδο και οι δύο ακραίες ράβδοι σε κάθε πλευρά προορίζονται μόνο για το κλείσιμο των μαγνητικών ροών σε ορισμένες λειτουργίες.
θωρακισμένος
Στον θωρακισμένο πυρήνα κατασκευάζονται μονοφασικοί μετασχηματιστές - και τα δύο πηνία τοποθετούνται στον κεντρικό πυρήνα του μαγνητικού κυκλώματος. Η μαγνητική ροή σε έναν τέτοιο πυρήνα κλείνει παρόμοια με μια κατασκευή τριών ράβδων - μέσω των πλευρικών τοιχωμάτων. Η ροή διαρροής είναι πολύ μικρή σε αυτή την περίπτωση.
Τα πλεονεκτήματα αυτού του σχεδιασμού περιλαμβάνουν κάποιο κέρδος σε μέγεθος και βάρος λόγω της δυνατότητας πυκνότερης πλήρωσης του παραθύρου του πυρήνα με περιέλιξη, επομένως είναι επωφελής η χρήση θωρακισμένων πυρήνων για την κατασκευή μετασχηματιστών χαμηλής ισχύος. Αυτό οδηγεί επίσης σε βραχύτερο μαγνητικό κύκλωμα, το οποίο οδηγεί σε μείωση των απωλειών χωρίς φορτίο.
Το μειονέκτημα είναι η δυσκολότερη πρόσβαση στις περιελίξεις για αναθεώρηση και επισκευή, καθώς και η αυξημένη πολυπλοκότητα της κατασκευής μόνωσης για υψηλές τάσεις.
Τοροειδής
Στους δακτυλιοειδείς πυρήνες, η μαγνητική ροή είναι εντελώς κλειστή μέσα στον πυρήνα και πρακτικά δεν υπάρχει μαγνητική ροή διαρροής. Αλλά τέτοιοι μετασχηματιστές είναι δύσκολο να τυλίξουν, επομένως χρησιμοποιούνται αρκετά σπάνια, για παράδειγμα, σε ρυθμιζόμενους αυτομετασχηματιστές χαμηλής ισχύος ή σε συσκευές υψηλής συχνότητας όπου η ατρωσία θορύβου είναι σημαντική.
Αυτομετασχηματιστής
Σε ορισμένες περιπτώσεις, συνιστάται η χρήση τέτοιων μετασχηματιστών, οι οποίοι δεν έχουν μόνο μαγνητική σύνδεση μεταξύ των περιελίξεων, αλλά και ηλεκτρική. Δηλαδή, στις συσκευές ανύψωσης, το πρωτεύον τύλιγμα είναι μέρος του δευτερεύοντος και στις συσκευές βήμα προς τα κάτω, το δευτερεύον τμήμα του πρωτεύοντος. Μια τέτοια συσκευή ονομάζεται αυτομετασχηματιστής (AT).
Ένας υποβιβαζόμενος αυτομετασχηματιστής δεν είναι ένας απλός διαιρέτης τάσης - η μαγνητική σύζευξη εμπλέκεται επίσης στη μεταφορά ενέργειας στο δευτερεύον κύκλωμα.
Τα πλεονεκτήματα των αυτομετασχηματιστών είναι:
- Μικρότερες απώλειες·
- τη δυνατότητα ομαλής ρύθμισης τάσης.
- μικρότεροι δείκτες βάρους και μεγέθους (ένας αυτομετασχηματιστής είναι φθηνότερος, είναι ευκολότερο να το μεταφέρεις).
- χαμηλότερο κόστος λόγω της μικρότερης απαιτούμενης ποσότητας υλικού.
Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν την ανάγκη χρήσης μόνωσης και των δύο περιελίξεων, σχεδιασμένων για υψηλότερη τάση, καθώς και την έλλειψη γαλβανικής απομόνωσης μεταξύ της εισόδου και της εξόδου, η οποία μπορεί να μεταφέρει τις επιπτώσεις των ατμοσφαιρικών φαινομένων από το πρωτεύον κύκλωμα στο δευτερεύον. Σε αυτή την περίπτωση, τα στοιχεία του δευτερεύοντος κυκλώματος δεν μπορούν να γειωθούν.Επίσης, το μειονέκτημα του ΑΤ θεωρείται ότι είναι τα αυξημένα ρεύματα βραχυκυκλώματος. Για τριφασικούς αυτομετασχηματιστές, οι περιελίξεις συνδέονται συνήθως σε ένα αστέρι με γειωμένο ουδέτερο, είναι δυνατά και άλλα σχήματα σύνδεσης, αλλά πολύ περίπλοκα και δυσκίνητα. Αυτό είναι επίσης ένα μειονέκτημα που περιορίζει το πεδίο εφαρμογής των αυτομετασχηματιστών.
Εφαρμογή μετασχηματιστών
Η ιδιότητα των μετασχηματιστών να αυξάνουν ή να μειώνουν την τάση χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία και στην καθημερινή ζωή.
Μετασχηματισμός τάσης
Διαφορετικές απαιτήσεις επιβάλλονται στο επίπεδο της βιομηχανικής τάσης σε διαφορετικά στάδια. Κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, είναι ασύμφορη η χρήση γεννητριών υψηλής τάσης για διάφορους λόγους. Επομένως, για παράδειγμα, σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς χρησιμοποιούνται γεννήτριες 6 ... 35 kV. Για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, αντίθετα, χρειάζεστε αυξημένη τάση - από 110 kV έως 1150 kV, ανάλογα με την απόσταση. Περαιτέρω, αυτή η τάση μειώνεται και πάλι στο επίπεδο των 6 ... 10 kV, κατανέμεται στους τοπικούς υποσταθμούς, από όπου μειώνεται στα 380 (220) βολτ και έρχεται στον τελικό καταναλωτή. Σε οικιακές και βιομηχανικές συσκευές, πρέπει επίσης να χαμηλώσει, συνήθως στα 3 ... 36 βολτ.
Όλες αυτές οι εργασίες πραγματοποιούνται με χρησιμοποιώντας μετασχηματιστές ισχύος. Μπορούν να είναι ξηρά ή με βάση το λάδι. Στη δεύτερη περίπτωση, ο πυρήνας με περιελίξεις τοποθετείται σε δεξαμενή με λάδι, που είναι μονωτικό και ψυκτικό μέσο.
Γαλβανική μόνωση
Η γαλβανική μόνωση αυξάνει την ασφάλεια των ηλεκτρικών συσκευών. Εάν η συσκευή τροφοδοτείται όχι απευθείας από ένα δίκτυο 220 volt, όπου ένας από τους αγωγούς είναι συνδεδεμένος με τη γείωση, αλλά μέσω ενός μετασχηματιστή 220/220 volt, τότε η τάση τροφοδοσίας θα παραμείνει η ίδια.Αλλά με το ταυτόχρονο άγγιγμα της γης και τα δευτερεύοντα μέρη του κυκλώματος που μεταφέρουν ρεύμα για τη ροή του ρεύματος, δεν θα υπάρχει ροή ρεύματος και ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας θα είναι πολύ μικρότερος.
Μέτρηση τάσης
Σε όλες τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις είναι απαραίτητος ο έλεγχος της στάθμης τάσης. Εάν χρησιμοποιείται κατηγορία τάσης έως 1000 βολτ, τότε τα βολτόμετρα συνδέονται απευθείας σε ηλεκτροφόρα μέρη. Σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις άνω των 1000 βολτ, αυτό δεν θα λειτουργήσει - οι συσκευές που μπορούν να αντέξουν μια τέτοια τάση αποδεικνύονται πολύ ογκώδεις και ανασφαλείς σε περίπτωση βλάβης της μόνωσης. Επομένως, σε τέτοια συστήματα, τα βολτόμετρα συνδέονται με αγωγούς υψηλής τάσης μέσω μετασχηματιστών με βολικό λόγο μετασχηματισμού. Για παράδειγμα, για δίκτυα 10 kV, χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές οργάνων 1:100, η έξοδος είναι μια τυπική τάση 100 βολτ. Εάν η τάση στο πρωτεύον τύλιγμα αλλάζει σε πλάτος, αλλάζει ταυτόχρονα στο δευτερεύον. Η κλίμακα του βολτόμετρου είναι συνήθως βαθμολογημένη στην κύρια περιοχή τάσης.
Ο μετασχηματιστής είναι ένα αρκετά περίπλοκο και ακριβό στοιχείο για παραγωγή και συντήρηση. Ωστόσο, σε πολλούς τομείς αυτές οι συσκευές είναι απαραίτητες και δεν υπάρχει εναλλακτική λύση σε αυτές.
Παρόμοια άρθρα:
