Τύποι μετασχηματιστών
Ένας μετασχηματιστής είναι μια στατική ηλεκτρομαγνητική συσκευή που περιέχει δύο έως πολλά πηνία που βρίσκονται σε ένα κοινό μαγνητικό κύκλωμα και έτσι συνδέονται επαγωγικά μεταξύ τους. Χρησιμεύει ως μετασχηματιστής για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας από εναλλασσόμενο ρεύμα μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής χωρίς αλλαγή της συχνότητας του ρεύματος. Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται τόσο για μετατροπή εναλλασσόμενης τάσης όσο και για γαλβανική μόνωση σε διάφορους τομείς της ηλεκτρολογίας και ηλεκτρονικής μηχανικής.
Για να είμαστε δίκαιοι, σημειώνουμε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις ο μετασχηματιστής μπορεί να περιέχει μόνο μία περιέλιξη (αυτόματος μετασχηματιστής) και ο πυρήνας μπορεί να απουσιάζει εντελώς (HF — μετασχηματιστής), αλλά οι περισσότεροι από τους μετασχηματιστές έχουν έναν πυρήνα (μαγνητικό κύκλωμα) από μαλακό μαγνητικό σιδηρομαγνητικό υλικό, και δύο ή περισσότερα πηνία μονωμένης ταινίας ή σύρματος που καλύπτονται από μια κοινή μαγνητική ροή, αλλά πρώτα στην πρώτη θέση. Ας δούμε τι είδους μετασχηματιστές είναι, πώς είναι διατεταγμένοι και σε τι χρησιμοποιούνται.
Μετασχηματιστής ισχύος
Αυτός ο τύπος μετασχηματιστών χαμηλής συχνότητας (50-60 Hz) χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά δίκτυα, καθώς και σε εγκαταστάσεις λήψης και μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας. Γιατί λέγεται δύναμη; Επειδή είναι αυτός ο τύπος μετασχηματιστή που χρησιμοποιείται για την παροχή και λήψη ηλεκτρικής ενέργειας από και από γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας, όπου η τάση μπορεί να φτάσει τα 1150 kV.
Στα αστικά ηλεκτρικά δίκτυα η τάση φτάνει τα 10 kV. Μέσω ακριβώς ισχυροί μετασχηματιστές χαμηλής συχνότητας η τάση πέφτει επίσης στα 0,4 kV, 380/220 volt που απαιτούν οι καταναλωτές.
Δομικά, ένας τυπικός μετασχηματιστής ισχύος μπορεί να περιέχει δύο, τρεις ή περισσότερες περιελίξεις διατεταγμένες σε έναν θωρακισμένο ηλεκτρικό πυρήνα από χάλυβα, με μερικές από τις περιελίξεις χαμηλής τάσης να τροφοδοτούνται παράλληλα (μετασχηματιστής διασπασμένης περιέλιξης).
Αυτό είναι χρήσιμο για την ενίσχυση της τάσης που λαμβάνεται από πολλαπλές γεννήτριες ταυτόχρονα. Κατά κανόνα, ο μετασχηματιστής ισχύος τοποθετείται σε δεξαμενή με λάδι μετασχηματιστή και στην περίπτωση ιδιαίτερα ισχυρών δειγμάτων, προστίθεται ένα ενεργό σύστημα ψύξης.
Σε υποσταθμούς και σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής εγκαθίστανται τριφασικοί μετασχηματιστές ισχύος με ισχύ έως 4000 kVA. Τα τριφασικά είναι πιο κοινά, καθώς οι απώλειες επιτυγχάνονται έως και 15% λιγότερες από ό,τι με τρία μονοφασικά.
Μετασχηματιστής ρεύματος
Στις δεκαετίες του 1980 και του 1990, μετασχηματιστές γραμμής μπορούσαν να βρεθούν σχεδόν σε κάθε ηλεκτρική συσκευή. Με τη βοήθεια ενός μετασχηματιστή δικτύου (συνήθως μονοφασικού), η τάση ενός οικιακού δικτύου 220 volt με συχνότητα 50 Hz μειώνεται στο επίπεδο που απαιτείται από μια ηλεκτρική συσκευή, για παράδειγμα 5, 12, 24 ή 48 βολτ.
Οι μετασχηματιστές γραμμής κατασκευάζονται συχνά με πολλαπλές δευτερεύουσες περιελίξεις, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλαπλές πηγές τάσης για την τροφοδοσία διαφορετικών τμημάτων του κυκλώματος. Συγκεκριμένα, μετασχηματιστές TN (πυρακτωμένος μετασχηματιστής) θα μπορούσαν πάντα (και μπορούν ακόμα) να βρεθούν σε κυκλώματα όπου υπάρχουν ραδιοσωλήνες.
Οι σύγχρονοι μετασχηματιστές γραμμής κατασκευάζονται σε σχήματος W, σε σχήμα ράβδου ή σε σπειροειδή πυρήνες ενός συνόλου ηλεκτρικών χαλύβδινων πλακών στις οποίες τυλίγονται τα πηνία. Το σπειροειδές σχήμα του μαγνητικού κυκλώματος καθιστά δυνατή την απόκτηση ενός πιο συμπαγούς μετασχηματιστή.
Εάν συγκρίνουμε μετασχηματιστές με την ίδια συνολική ισχύ δακτυλιοειδών πυρήνων και πυρήνων σχήματος W, ο δακτύλιος θα καταλαμβάνει λιγότερο χώρο, επιπλέον, η επιφάνεια του δακτυλιοειδούς μαγνητικού κυκλώματος καλύπτεται πλήρως από τις περιελίξεις, δεν υπάρχει κενός ζυγός, όπως είναι η θήκη με θωρακισμένους πυρήνες σχήματος W ή ράβδου. Το ηλεκτρικό δίκτυο περιλαμβάνει, ειδικότερα, μετασχηματιστές συγκόλλησης ισχύος έως 6 kW. Οι μετασχηματιστές κεντρικού δικτύου, φυσικά, ταξινομούνται ως μετασχηματιστές χαμηλής συχνότητας.
Αυτομετασχηματιστής
Ένας τύπος μετασχηματιστή χαμηλής συχνότητας είναι ένας αυτομετασχηματιστής στον οποίο το δευτερεύον τύλιγμα είναι μέρος του πρωτεύοντος ή το πρωτεύον μέρος του δευτερεύοντος. Δηλαδή, στον αυτομετασχηματιστή, οι περιελίξεις συνδέονται όχι μόνο μαγνητικά, αλλά και ηλεκτρικά. Πολλά καλώδια κατασκευάζονται από ένα πηνίο και σας επιτρέπουν να λαμβάνετε διαφορετικές τάσεις από ένα μόνο πηνίο.
Το κύριο πλεονέκτημα του αυτομετασχηματιστή είναι το χαμηλότερο κόστος του, καθώς χρησιμοποιείται λιγότερο σύρμα για τις περιελίξεις, λιγότερο ατσάλι για τον πυρήνα, και ως αποτέλεσμα το βάρος είναι μικρότερο από αυτό ενός συμβατικού μετασχηματιστή.Το μειονέκτημα είναι η έλλειψη γαλβανικής απομόνωσης των πηνίων.
Οι αυτομετασχηματιστές χρησιμοποιούνται σε συσκευές αυτόματου ελέγχου και επίσης χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά δίκτυα υψηλής τάσης. Οι τριφασικοί αυτομετασχηματιστές με σύνδεση δέλτα ή αστεριού σε ηλεκτρικά δίκτυα έχουν μεγάλη ζήτηση σήμερα.
Οι αυτομετασχηματιστές ισχύος είναι διαθέσιμοι σε χωρητικότητα έως και εκατοντάδες μεγαβάτ. Αυτομετασχηματιστές χρησιμοποιούνται επίσης για την εκκίνηση ισχυρών κινητήρων AC. Οι αυτομετασχηματιστές είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι για χαμηλές αναλογίες μετασχηματισμού.
Εργαστηριακός αυτομετασχηματιστής
Μια ειδική περίπτωση ενός αυτομετασχηματιστή είναι ένας εργαστηριακός αυτομετασχηματιστής (LATR). Σας επιτρέπει να ρυθμίζετε ομαλά την τάση που παρέχεται στον χρήστη. Ο σχεδιασμός LATR είναι σπειροειδής μετασχηματιστής με ένα μόνο τύλιγμα που έχει μη μονωμένη «τροχιά» από στροφή σε στροφή, δηλαδή είναι δυνατή η σύνδεση σε κάθε μία από τις στροφές της περιέλιξης. Η επαφή της διαδρομής παρέχεται από μια συρόμενη βούρτσα άνθρακα που ελέγχεται από ένα περιστροφικό κουμπί.
Έτσι μπορείτε να πάρετε την ενεργή τάση με διαφορετικά μεγέθη στο φορτίο. Οι τυπικοί μονοφασικοί δίσκοι σάς επιτρέπουν να δέχεστε τάσεις από 0 έως 250 βολτ και τριφασικές - από 0 έως 450 βολτ. Τα LATR με ισχύ από 0,5 έως 10 kW είναι πολύ δημοφιλή στα εργαστήρια για τον συντονισμό ηλεκτρικού εξοπλισμού.
Μετασχηματιστής ρεύματος
Μετασχηματιστής ρεύματος ονομάζεται μετασχηματιστής του οποίου η κύρια περιέλιξη συνδέεται με μια πηγή ρεύματος και η δευτερεύουσα περιέλιξη σε προστατευτικές ή μετρητικές συσκευές που έχουν χαμηλή εσωτερική αντίσταση. Ο πιο συνηθισμένος τύπος μετασχηματιστή ρεύματος είναι ένας μετασχηματιστής ρεύματος οργάνου.
Η κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή ρεύματος (συνήθως μόνο μια στροφή, ένα καλώδιο) συνδέεται σε σειρά στο κύκλωμα στο οποίο θέλετε να μετρήσετε το εναλλασσόμενο ρεύμα. Αποδεικνύεται ότι το ρεύμα της δευτερεύουσας περιέλιξης είναι ανάλογο με το ρεύμα του πρωτεύοντος, ενώ το δευτερεύον τύλιγμα πρέπει απαραίτητα να είναι φορτωμένο, γιατί διαφορετικά η τάση του δευτερεύοντος τυλίγματος μπορεί να είναι αρκετά υψηλή για να σπάσει τη μόνωση. Επίσης, εάν ανοίξει η δευτερεύουσα περιέλιξη του CT, το μαγνητικό κύκλωμα θα καεί απλώς από τα επαγόμενα μη αντιρροπούμενα ρεύματα.
Η κατασκευή του μετασχηματιστή ρεύματος είναι ένας πυρήνας από πλαστικοποιημένο πυρίτιο ψυχρής έλασης ηλεκτρικό χάλυβα πάνω στον οποίο τυλίγονται ένα ή περισσότερα μονωμένα δευτερεύοντα τυλίγματα. Το πρωτεύον τύλιγμα είναι συχνά απλά ένας δίαυλος ή σύρμα με μετρημένο ρεύμα που διέρχεται από το παράθυρο του μαγνητικού κυκλώματος (παρεμπιπτόντως, αυτή η αρχή χρησιμοποιείται από μετρητής σφιγκτήραΤο κύριο χαρακτηριστικό ενός μετασχηματιστή ρεύματος είναι ο λόγος μετασχηματισμού, για παράδειγμα 100/5 A.
Οι μετασχηματιστές ρεύματος χρησιμοποιούνται ευρέως για μέτρηση ρεύματος και σε κυκλώματα προστασίας ρελέ. Είναι ασφαλή επειδή τα μετρούμενα και τα δευτερεύοντα κυκλώματα είναι γαλβανικά απομονωμένα μεταξύ τους. Συνήθως, οι βιομηχανικοί μετασχηματιστές ρεύματος κατασκευάζονται με δύο ή περισσότερες ομάδες δευτερευόντων περιελίξεων, η μία από τις οποίες συνδέεται με προστατευτικές συσκευές και η άλλη με μια συσκευή μέτρησης, όπως μετρητές.
Μετασχηματιστής παλμών
Σε όλα σχεδόν τα σύγχρονα ηλεκτρικά τροφοδοτικά, σε διάφορους μετατροπείς, σε μηχανές συγκόλλησης και σε άλλους ηλεκτρικούς μετατροπείς ισχύος και χαμηλής ισχύος, χρησιμοποιούνται παλμικοί μετασχηματιστές.Σήμερα, τα παλμικά κυκλώματα έχουν σχεδόν πλήρως αντικαταστήσει τους βαρείς μετασχηματιστές χαμηλής συχνότητας με πολυστρωματικούς πυρήνες χάλυβα.
Ένας τυπικός παλμικός μετασχηματιστής είναι ένας μετασχηματιστής πυρήνα φερρίτη. Το σχήμα του πυρήνα (μαγνητικό κύκλωμα) μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικό: δακτύλιος, ράβδος, κύπελλο, σχήματος W, σχήματος U. Το πλεονέκτημα των φερρίτων έναντι του χάλυβα μετασχηματιστή είναι προφανές — οι μετασχηματιστές με βάση φερρίτη μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητες έως 500 kHz ή περισσότερες.
Δεδομένου ότι ο παλμικός μετασχηματιστής είναι μετασχηματιστής υψηλής συχνότητας, οι διαστάσεις του μειώνονται σημαντικά όσο αυξάνεται η συχνότητα. Απαιτείται λιγότερο καλώδιο για τις περιελίξεις και το ρεύμα πεδίου είναι αρκετό για να ληφθεί ρεύμα υψηλής συχνότητας στον πρωτεύοντα βρόχο, IGBT ή ένα διπολικό τρανζίστορ, μερικές φορές πολλά, ανάλογα με την τοπολογία του παλμικού κυκλώματος τροφοδοσίας (εμπρός — 1, ώθηση-έλξη — 2, μισή γέφυρα — 2, γέφυρα — 4).
Για να είμαστε δίκαιοι, σημειώνουμε ότι εάν χρησιμοποιείται αντίστροφο κύκλωμα τροφοδοσίας, τότε ο μετασχηματιστής είναι ουσιαστικά διπλό τσοκ, αφού οι διαδικασίες συσσώρευσης και απελευθέρωσης ηλεκτρικής ενέργειας στο δευτερεύον κύκλωμα διαχωρίζονται χρονικά, δηλαδή δεν προχωρούν ταυτόχρονα, επομένως, με το κύκλωμα ελέγχου flyback, εξακολουθεί να είναι τσοκ αλλά όχι μετασχηματιστής.
Παλμικά κυκλώματα με μετασχηματιστές και τσοκ φερρίτη βρίσκονται παντού σήμερα, από στραγγαλιστικά πηνία λαμπτήρων εξοικονόμησης ενέργειας και φορτιστές διαφόρων gadgets, μέχρι μηχανές συγκόλλησης και ισχυρούς μετατροπείς.
Μετασχηματιστής παλμικού ρεύματος
Για τη μέτρηση του μεγέθους και (ή) της κατεύθυνσης του ρεύματος σε παλμικά κυκλώματα, χρησιμοποιούνται συχνά μετασχηματιστές παλμικού ρεύματος, οι οποίοι είναι ένας πυρήνας φερρίτη, συχνά σε σχήμα δακτυλίου (τοροειδής), με μία περιέλιξη.Ένα σύρμα διέρχεται από τον δακτύλιο του πυρήνα, το ρεύμα στον οποίο πρόκειται να εξεταστεί, και το ίδιο το πηνίο φορτώνεται σε μια αντίσταση.
Για παράδειγμα, ο δακτύλιος περιέχει 1000 στροφές σύρματος, τότε η αναλογία των ρευμάτων του πρωτεύοντος (σύρμα με σπείρωμα) και της δευτερεύουσας περιέλιξης θα είναι 1000 προς 1. Εάν η περιέλιξη του δακτυλίου φορτωθεί σε μια αντίσταση γνωστής τιμής, τότε η τάση που μετράται σε αυτό θα είναι ανάλογη με το ρεύμα του πηνίου, πράγμα που σημαίνει ότι το μετρούμενο ρεύμα είναι 1000 φορές το ρεύμα που περνάει αυτή η αντίσταση.
Η βιομηχανία παράγει μετασχηματιστές παλμικού ρεύματος με διαφορετικούς λόγους μετασχηματισμού. Ο σχεδιαστής χρειάζεται μόνο να συνδέσει μια αντίσταση και ένα κύκλωμα μέτρησης σε έναν τέτοιο μετασχηματιστή. Εάν θέλετε να μάθετε την κατεύθυνση του ρεύματος, όχι το μέγεθός του, τότε η περιέλιξη του μετασχηματιστή ρεύματος φορτίζεται απλώς από δύο αντίθετες διόδους zener.
Επικοινωνία μεταξύ ηλεκτρικών μηχανών και μετασχηματιστών
Οι ηλεκτρικοί μετασχηματιστές περιλαμβάνονται πάντα στα μαθήματα ηλεκτρικών μηχανών που μελετώνται σε όλες τις ειδικότητες ηλεκτρολόγων μηχανικών των εκπαιδευτικών ιδρυμάτων. Ουσιαστικά, ένας ηλεκτρικός μετασχηματιστής δεν είναι ηλεκτρική μηχανή, αλλά ηλεκτρική συσκευή, αφού δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη, η παρουσία των οποίων είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα κάθε μηχανής ως τύπου μηχανισμού. για να αποφευχθούν παρεξηγήσεις, θα πρέπει να ονομάζονται «μαθήματα ηλεκτρικών μηχανών και ηλεκτρικών μετασχηματιστών».
Η ένταξη των μετασχηματιστών σε όλα τα μαθήματα ηλεκτρικών μηχανημάτων γίνεται για δύο λόγους.Το ένα είναι ιστορικής προέλευσης: τα ίδια εργοστάσια που κατασκεύαζαν ηλεκτρικές μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος κατασκεύασαν επίσης μετασχηματιστές, επειδή η απλή παρουσία μετασχηματιστών έδωσε στις μηχανές AC ένα πλεονέκτημα έναντι των μηχανών συνεχούς ρεύματος, το οποίο τελικά οδήγησε στην επικράτηση τους στη βιομηχανία. Και τώρα είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς μια μεγάλη εγκατάσταση AC χωρίς μετασχηματιστές.
Ωστόσο, με την ανάπτυξη της παραγωγής μηχανών και μετασχηματιστών εναλλασσόμενου ρεύματος, κατέστη αναγκαία η συγκέντρωση της παραγωγής μετασχηματιστών σε ειδικά εργοστάσια μετασχηματιστών. Το γεγονός είναι ότι λόγω της δυνατότητας μετάδοσης εναλλασσόμενου ρεύματος με χρήση μετασχηματιστών σε μεγάλες αποστάσεις, η αύξηση της υψηλότερης τάσης των μετασχηματιστών ήταν πολύ ταχύτερη από την αύξηση της τάσης των ηλεκτρικών μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος.
Στο τρέχον στάδιο ανάπτυξης των ηλεκτρικών μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος, η υψηλότερη ορθολογική τάση για αυτές είναι 36 kV. Ταυτόχρονα, η υψηλότερη τάση σε πραγματικά υλοποιημένους ηλεκτρικούς μετασχηματιστές έφτασε τα 1150 kV. Τέτοιες υψηλές τάσεις μετασχηματιστή και η λειτουργία τους σε εναέριες γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας που εκτίθενται σε κεραυνούς έχουν οδηγήσει σε πολύ συγκεκριμένα προβλήματα μετασχηματιστή που είναι ξένα για τα ηλεκτρικά μηχανήματα.
Αυτό οδήγησε στην παραγωγή τεχνολογικών προβλημάτων τόσο διαφορετικών από τα τεχνολογικά προβλήματα της ηλεκτρικής μηχανικής που ο διαχωρισμός των μετασχηματιστών σε ανεξάρτητη παραγωγή έγινε αναπόφευκτος. Έτσι, ο πρώτος λόγος -η βιομηχανική σύνδεση που έκανε τους μετασχηματιστές κοντά σε ηλεκτρικές μηχανές- εξαφανίστηκε.
Ο δεύτερος λόγος είναι θεμελιώδης και συνίσταται στο γεγονός ότι οι ηλεκτρικοί μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται στην πράξη, καθώς και οι ηλεκτρικές μηχανές, βασίζονται σε η αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής (νόμος Faraday), — παραμένει ένας ακλόνητος δεσμός μεταξύ τους. Ταυτόχρονα, για την κατανόηση πολλών φαινομένων στις μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος, είναι απολύτως απαραίτητη η γνώση των φυσικών διεργασιών που συμβαίνουν στους μετασχηματιστές και, επιπλέον, η θεωρία μιας μεγάλης κατηγορίας μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να αναχθεί στη θεωρία του μετασχηματιστές, διευκολύνοντας έτσι τη θεωρητική τους εξέταση.
Επομένως, στη θεωρία των μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος, ισχυρή θέση κατέχει η θεωρία των μετασχηματιστών, από την οποία όμως δεν προκύπτει ότι οι μετασχηματιστές μπορούν να ονομαστούν ηλεκτρικές μηχανές. Επιπλέον, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι οι μετασχηματιστές έχουν διαφορετικό καθορισμό στόχων και διαδικασία μετατροπής ενέργειας από τα ηλεκτρικά μηχανήματα.
Ο σκοπός μιας ηλεκτρικής μηχανής είναι να μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια (γεννήτρια) ή, αντίθετα, ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια (κινητήρας), ενώ σε έναν μετασχηματιστή έχουμε να κάνουμε με τη μετατροπή ενός τύπου ηλεκτρικής ενέργειας εναλλασσόμενου ρεύματος σε εναλλασσόμενη. τρέχουσα ηλεκτρική ενέργεια. ρεύμα άλλου είδους.