Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή

Για να μετατρέψετε μια ηλεκτρική τάση ενός μεγέθους σε ηλεκτρική τάση άλλου μεγέθους, δηλαδή για να μετατρέψετε ηλεκτρική ενέργεια, χρησιμοποιήστε ηλεκτρικοί μετασχηματιστές.

Ένας μετασχηματιστής μπορεί να μετατρέψει μόνο το εναλλασσόμενο ρεύμα σε εναλλασσόμενο ρεύμα, επομένως, για να ληφθεί συνεχές ρεύμα, το εναλλασσόμενο ρεύμα από τον μετασχηματιστή διορθώνεται εάν είναι απαραίτητο. Για το σκοπό αυτό εξυπηρετούν ανορθωτές.

Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, κάθε μετασχηματιστής (είτε είναι μετασχηματιστής τάσης, μετασχηματιστής ρεύματος ή μετασχηματιστής παλμού) λειτουργεί λόγω του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, το οποίο εκδηλώνεται σε όλο του το μεγαλείο ακριβώς με εναλλασσόμενο ή παλμικό ρεύμα.

Συσκευή μετασχηματιστή

Στην απλούστερη μορφή του, ένας μονοφασικός μετασχηματιστής αποτελείται μόνο από τρία κύρια μέρη: έναν σιδηρομαγνητικό πυρήνα (μαγνητικό κύκλωμα), καθώς και πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις. Κατ 'αρχήν, ένας μετασχηματιστής μπορεί να έχει περισσότερες από δύο περιελίξεις, αλλά τουλάχιστον δύο από αυτές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η λειτουργία της δευτερεύουσας περιέλιξης μπορεί να εκτελεστεί από μέρος των στροφών του πρωτεύοντος τυλίγματος (βλ. τύπους μετασχηματιστών), αλλά τέτοιες λύσεις είναι αρκετά σπάνιες σε σύγκριση με τις συνηθισμένες.

Το κύριο μέρος του μετασχηματιστή είναι ένας σιδηρομαγνητικός πυρήνας. Όταν ο μετασχηματιστής λειτουργεί, το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο βρίσκεται εντός του σιδηρομαγνητικού πυρήνα. Η πηγή του μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου στον μετασχηματιστή είναι το εναλλασσόμενο ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματος.

Τάση δευτερεύουσας περιέλιξης μετασχηματιστή

Είναι γνωστό ότι κάθε ηλεκτρικό ρεύμα συνοδεύεται από ένα μαγνητικό πεδίο. Κατά συνέπεια, ένα εναλλασσόμενο ρεύμα συνοδεύεται από ένα εναλλασσόμενο (μεταβαλλόμενο μέγεθος και κατεύθυνση) μαγνητικό πεδίο.

Έτσι, τροφοδοτώντας εναλλασσόμενο ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή, παίρνουμε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο του πρωτεύοντος ρεύματος περιέλιξης. Και έτσι το μαγνητικό πεδίο συγκεντρώνεται κυρίως στον πυρήνα του μετασχηματιστή, αυτός ο πυρήνας είναι κατασκευασμένος από υλικό με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από αυτό του αέρα, οπότε το κύριο μέρος της μαγνητικής ροής του πρωτεύοντος τυλίγματος θα είναι κλείνει ακριβώς μέσα στον πυρήνα, όχι μέσω αέρα.

Έτσι, το εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο της κύριας περιέλιξης συγκεντρώνεται στον όγκο του πυρήνα του μετασχηματιστή, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από χάλυβα μετασχηματιστή, φερρίτη ή άλλο κατάλληλο υλικό, ανάλογα με τη συχνότητα λειτουργίας και τον σκοπό ενός συγκεκριμένου μετασχηματιστή.

Η δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή βρίσκεται σε έναν κοινό πυρήνα με την κύρια περιέλιξή του. Επομένως, το εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο του πρωτεύοντος τυλίγματος διεισδύει επίσης στις στροφές του δευτερεύοντος τυλίγματος.

ΕΝΑ φαινόμενο ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής έγκειται απλώς στο γεγονός ότι ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο προκαλεί ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο στον χώρο γύρω του. Και δεδομένου ότι υπάρχει ένα δεύτερο καλώδιο πηνίου σε αυτόν τον χώρο γύρω από το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το επαγόμενο εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο δρα στους φορείς φορτίου μέσα σε αυτό το καλώδιο.

Αυτή η δράση ηλεκτρικού πεδίου προκαλεί ένα EMF σε κάθε στροφή του δευτερεύοντος πηνίου. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται μια εναλλασσόμενη ηλεκτρική τάση μεταξύ των ακροδεκτών της δευτερεύουσας περιέλιξης. Όταν η δευτερεύουσα περιέλιξη του συνδεδεμένου μετασχηματιστή δεν είναι φορτωμένη, ο μετασχηματιστής είναι άδειος.

Λειτουργία του μετασχηματιστή υπό φορτίο

Εάν ένα συγκεκριμένο φορτίο συνδέεται με τη δευτερεύουσα περιέλιξη ενός μετασχηματιστή λειτουργίας, προκύπτει ρεύμα μέσω του φορτίου σε ολόκληρο το δευτερεύον κύκλωμα του μετασχηματιστή.

Αυτό το ρεύμα δημιουργεί το δικό του μαγνητικό πεδίο, το οποίο, σύμφωνα με το νόμο του Lenz, έχει τέτοια κατεύθυνση που αντιτίθεται στην «αιτία που το προκαλεί». Αυτό σημαίνει ότι το μαγνητικό πεδίο του ρεύματος της δευτερεύουσας περιέλιξης σε οποιαδήποτε στιγμή τείνει να μειώσει το αυξανόμενο μαγνητικό πεδίο του πρωτεύοντος τυλίγματος ή τείνει να υποστηρίξει το μαγνητικό πεδίο του πρωτεύοντος τυλίγματος όταν μειώνεται, δείχνει πάντα στο μαγνητικό πεδίο του πρωτεύοντος πηνίου.

Έτσι, όταν φορτώνεται η δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή, εμφανίζεται ένα οπίσθιο EMF στην κύρια περιέλιξή του, αναγκάζοντας το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή να αντλήσει περισσότερο ρεύμα από το δίκτυο τροφοδοσίας.

Συντελεστής μετασχηματισμού

Ο λόγος στροφών του πρωτεύοντος N1 και του δευτερεύοντος τυλίγματος N2 ενός μετασχηματιστή καθορίζει την αναλογία μεταξύ των τάσεων εισόδου U1 και εξόδου U2 και των ρευμάτων εισόδου I1 και εξόδου I2 όταν ο μετασχηματιστής λειτουργεί υπό φορτίο. Αυτή η αναλογία ονομάζεται αναλογία μετασχηματισμού του μετασχηματιστή:

Ο συντελεστής μετασχηματισμού είναι μεγαλύτερος από ένα εάν ο μετασχηματιστής είναι χαμηλότερος και μικρότερος από ένα εάν ο μετασχηματιστής είναι ανεβασμένος.

Μετασχηματιστής τάσης

Ο μετασχηματιστής τάσης είναι ένας τύπος μετασχηματιστή που έχει σχεδιαστεί για να απομονώνει γαλβανικά κυκλώματα υψηλής τάσης από κυκλώματα χαμηλής τάσης.

Συνήθως, όταν πρόκειται για υψηλή τάση, σημαίνουν 6 κιλοβολτ ή περισσότερα (στην κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή τάσης) και χαμηλή τάση σημαίνει τιμές της τάξης των 100 βολτ (στο δευτερεύον τύλιγμα).

Ένας τέτοιος μετασχηματιστής χρησιμοποιείται, κατά κανόνα, για σκοπούς μέτρησης… Μειώνει, για παράδειγμα, την υψηλή τάση της γραμμής ισχύος σε μια βολική χαμηλή τάση για μέτρηση, ενώ μπορεί επίσης να απομονώσει γαλβανικά τα κυκλώματα μέτρησης, προστασίας και ελέγχου από το κύκλωμα υψηλής τάσης. Αυτοί οι τύποι μετασχηματιστών λειτουργούν συνήθως σε κατάσταση αδράνειας.

Βασικά οτιδήποτε μπορεί να ονομαστεί μετασχηματιστής τάσης μετασχηματιστής ισχύοςχρησιμοποιείται για τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας.

Μετασχηματιστής ρεύματος

Σε έναν μετασχηματιστή ρεύματος, το πρωτεύον τύλιγμα, το οποίο συνήθως αποτελείται από μία μόνο στροφή, συνδέεται σε σειρά με το κύκλωμα της πηγής ρεύματος. Αυτή η στροφή μπορεί να είναι ένα τμήμα του καλωδίου κυκλώματος όπου πρέπει να μετρηθεί το ρεύμα.

Το σύρμα απλώς περνά μέσα από το παράθυρο του πυρήνα του μετασχηματιστή και γίνεται αυτή η μονή στροφή - η στροφή της κύριας περιέλιξης. Η δευτερεύουσα περιέλιξή του, που έχει πολλές στροφές, συνδέεται με μια συσκευή μέτρησης που έχει χαμηλή εσωτερική αντίσταση.

Οι μετασχηματιστές αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση τιμών εναλλασσόμενου ρεύματος σε κυκλώματα ισχύος. Εδώ το ρεύμα και η τάση της δευτερεύουσας περιέλιξης είναι ανάλογα με το μετρούμενο ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματος (κύκλωμα ρεύματος).

Οι μετασχηματιστές ρεύματος χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές προστασίας ρελέ για συστήματα ισχύος, επομένως έχουν υψηλή ακρίβεια. Κάνουν τις μετρήσεις ασφαλείς, καθώς απομονώνουν αξιόπιστα γαλβανικά το κύκλωμα μέτρησης από το πρωτεύον κύκλωμα (συνήθως υψηλή τάση — δεκάδες και εκατοντάδες kilovolt).

Μετασχηματιστής παλμών

Αυτός ο μετασχηματιστής έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει μια παλμική μορφή ρεύματος (τάση). Οι σύντομοι παλμοί, συνήθως ορθογώνιοι, που εφαρμόζονται στην κύρια περιέλιξή του κάνουν τον μετασχηματιστή να λειτουργεί πρακτικά σε μεταβατικές συνθήκες.

Τέτοιοι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται σε μετατροπείς παλμικής τάσης και άλλες συσκευές παλμών, καθώς και σε μετασχηματιστές διαφοροποίησης.

Η χρήση παλμικών μετασχηματιστών επιτρέπει τη μείωση του βάρους και του κόστους των συσκευών στις οποίες χρησιμοποιούνται, απλώς και μόνο λόγω της αυξημένης συχνότητας μετατροπής (δεκάδες και εκατοντάδες kilohertz) σε σύγκριση με τους μετασχηματιστές δικτύου που λειτουργούν σε συχνότητα 50-60 Hz. Οι ορθογώνιοι παλμοί, των οποίων ο χρόνος ανόδου είναι πολύ μικρότερος από την ίδια τη διάρκεια του παλμού, συνήθως μετασχηματίζονται με χαμηλή παραμόρφωση.