Kaip veikia elektros transformatorius

Kiekvieną kartą, kai įjungiate išmaniojo telefono įkroviklį į sieninį lizdą, įkraunate nešiojamąjį kompiuterį ar įjungiate šviesos jungiklį, pasikliaujate vienu išradingiausių kada nors išrastų elektros prietaisų: transformatoriumi. Šie tylūs elektros pasaulio darbštūs arkliai leidžia aukštos įtampos elektrai, tekančiai elektros linijomis, saugiai maitinti jūsų namų prietaisus.

Bet kaip veikia elektros transformatoriusAtsakymas slypi beveik prieš 200 metų atrastame žavingame principe, kuris ir toliau veikia šiuolaikinį pasaulį. Šiame išsamiame vadove sužinosite, kaip tiksliai veikia transformatoriai, kodėl jie yra būtini elektros energijos paskirstymui ir kaip elektromagnetinės indukcijos principas visa tai įgalina.

Nesvarbu, ar esate studentas, besimokantis elektrotechnikos, smalsus namų savininkas, ar profesionalas, norintis atnaujinti žinias, šis vadovas jus supažindins su pagrindinėmis sąvokomis ir sudėtingesniais pritaikymais – visa tai paaiškinta aiškia ir suprantama kalba.

Paprastas atsakymas: transformatoriai naudoja „magnetinę magiją“

Įsivaizduokite įtampą kaip vandens slėgį vamzdžiuose. Lygiai taip pat, kaip jums gali prireikti slėgio reduktoriaus, kad saugiai prijungtumėte sodo laistytuvą prie aukšto slėgio pagrindinės linijos, elektros transformatorių veikimas keičiant įtampos lygius, kad elektra būtų saugi ir tinkama naudoti skirtingose srityse.

Štai paprasta versija: Transformatoriai naudoja elektromagnetinės indukcijos reiškinį, kad perduotų elektros energiją iš vienos grandinės į kitą, keisdami įtampą.Jie atlieka šį nuostabų žygdarbį be jokių judančių dalių, naudodami tik nematomą magnetizmo jėgą įtampos lygiams „padidinti“ arba „sumažinti“.

„Magija“ įvyksta, kai kintamoji srovė, tekanti per vieną laido rite, sukuria kintantį magnetinį lauką, kuris indukuoja įtampą antroje, visiškai atskiroje ritėje. Tiesioginio elektros jungimo nereikia – tik elektromagnetinės indukcijos galią, kurią 1831 m. atrado Michaelas Faradėjus.

Tačiau štai kur viskas pasidaro įdomu: tikslus įtampos pokytis priklauso nuo paprasto laido vijų tarp dviejų ričių santykio. Daugiau vijų reiškia aukštesnę įtampą; mažiau vijų – žemesnę. Šis elegantiškas paprastumas transformatorius pavertė nepakeičiamais jau daugiau nei šimtmetį.

Fondas: Elektromagnetinės indukcijos supratimas

Kad iš tikrųjų suprastum kaip veikia elektros transformatoriai, turime grįžti į 1831 m., kai britų mokslininkas Michaelas Faradėjus padarė atradimą, kuris pakeitė pasaulį. Faradėjus pastebėjo kai ką nepaprasto: kai jis judino magnetą per varinės vielos ritę, per tą laidą tekėjo elektros srovė.

Šis reiškinys, vadinamas elektromagnetinė indukcija, sudaro kiekvieno transformatoriaus, generatoriaus ir elektros variklio plakančią širdį Žemėje.

Įsivaizduokite šį paprastą eksperimentą: paimkite vario vielos ritę, prijungtą prie jautraus srovės matuoklio (galvanometro). Kai ritė tiesiog stovi šalia nejudančio magneto, nieko nevyksta. Tačiau vos tik pajudinate tą magnetą link ritės arba tolyn nuo jos, matuoklis atgyja, rodydamas, kad teka srovė.

Štai pagrindinė įžvalga: Ne pats magnetinis laukas sukuria elektrą, o keičiasi magnetinis laukas. Kai laidininko magnetinis laukas pasikeičia, jis indukuoja elektrovaros jėgą (EML), kuri stumia elektronus per laidą ir sukuria srovę.

Štai kodėl transformatoriai veikia su kintamąja srove (AC), bet ne su nuolatine srove (DC). AC natūraliai sukuria nuolat kintantį magnetinį lauką, o DC sukuria statinį lauką, kuris negali indukuoti srovės antrinėse apvijose.

Faradėjaus dėsnis supaprastintas

Faradėjaus dėsnis teigia, kad ritėje indukuota įtampa priklauso nuo magnetinio lauko kitimo greičio ir nuo to, kiek vielos vijų yra ritėje. Matematiškai:

Indukuota įtampa = magnetinio srauto kitimo greitis × apsisukimų skaičius

Nesijaudinkite dėl matematikos – svarbiausia koncepcija yra tokia: greitesni pokyčiai sukuria aukštesnę įtampą, o daugiau laidų vijų taip pat sukuria aukštesnę įtampąŠis ryšys yra būtent tai, kas leidžia transformatoriams valdyti išėjimo įtampą, reguliuojant jų ritinių vijų skaičių.

Kaip iš tikrųjų veikia elektros transformatoriai: žingsnis po žingsnio procesas

Dabar, kai suprantate elektromagnetinę indukciją, panagrinėkime ją išsamiau. kaip veikia elektros transformatorius per keturis esminius komponentus ir nuoseklų procesą.

Esminiai komponentai

Kiekvieną transformatorių sudaro trys svarbiausios dalys, veikiančios tobulai harmoningai:

Pirminė apvija (įvesties ritė)Ši ritė gauna įėjimo elektros energiją. Kai čia prijungiama kintamoji įtampa, aplink ritę sukuriamas kintantis magnetinis laukas. Įsivaizduokite tai kaip „siuntėją“, kuris elektros energiją paverčia magnetine energija.

Antrinė apvija (išėjimo ritė)Ši visiškai atskira ritė „gauna“ magnetinę energiją ir paverčia ją atgal į elektros energiją kitoje įtampos lygyje. Tarp pirminės ir antrinės apvijų nėra tiesioginio elektros ryšio – tik nematoma magnetinė jungtis.

Geležinė šerdis (magnetinis greitkelis)Geležinė šerdis veikia kaip magnetinis greitkelis, efektyviai nukreipiantis magnetinį lauką iš pirminės į antrinę ritę. Be šios šerdies didžioji dalis magnetinės energijos išsisklaidytų ore ir būtų prarasta.

4 žingsnių transformacijos procesas

Štai kas vyksta transformatoriaus viduje, kai prijungiate įrenginį:

1 veiksmas: kintamosios srovės maitinimas patenka į pirminę ritę

Kai kintamoji srovė teka per pirminę apviją, aplink ritę sukuriamas magnetinis laukas. Kadangi kintamoji srovė nuolat keičia kryptį – Šiaurės Amerikoje paprastai 60 kartų per sekundę – šis magnetinis laukas nuolat auga, traukiasi ir keičia kryptį. Įsivaizduokite elektromagnetą, kuris įsijungia ir išsijungia, o poliškumą keičia 120 kartų per sekundę.

2 veiksmas: magnetinis laukas keliauja per geležinę šerdį

Geležies šerdis tarnauja kaip magnetinis greitkelis, efektyviai nukreipiantis šį kintantį magnetinį lauką iš pirminės ritės į antrinę ritę. Geležis pasirinkta dėl savo feromagnetinės savybės – tai reiškia, kad ji gali daug geriau nei oras sutelkti ir nukreipti magnetinius laukus. Tai žymiai pagerina transformatoriaus efektyvumą.

Šerdis pagaminta iš plonų, izoliuotų plieno laminatų (paprastai 0,25–0,5 mm storio), o ne iš vientisos geležies. Šie laminatai neleidžia šerdies medžiagoje susidaryti energiją eikvojančioms sūkurinėms srovėms.

3 veiksmas: antrinė ritė „pagauna“ magnetinę energiją

Kai kintantis magnetinis laukas praeina per antrinę ritę, įsigalioja Faradėjaus dėsnis. Kintantis magnetinis srautas indukuoja įtampą antrinėje apvijoje, nors tarp ričių nėra tiesioginio elektrinio ryšio. Tai panašu į belaidį energijos perdavimą magnetizmu.

4 veiksmas: išėjimo įtampa priklauso nuo posūkio koeficientų

Štai kur vyksta transformatoriaus įtampos keitimo magija. Išėjimo įtampa nustatoma pagal antrinės ir pirminės apvijų vijų santykį:

• Daugiau antrinės apvijos apsisukimų = didesnė išėjimo įtampa (pakopinis transformatorius)
• Mažiau antrinės apvijos apsisukimų = mažesnė išėjimo įtampa (žeminantis transformatorius)
• Lygūs vijos = ta pati įtampa (izoliacinis transformatorius)

Pavyzdžiui, jei pirminis apvadas turi 100 vijų, o antrinis – 200 vijų, išėjimo įtampa bus lygiai dvigubai didesnė už įėjimo įtampą. Jei antrinis apvadas turi tik 50 vijų, išėjimo įtampa bus pusė įėjimo įtampos.

Energijos tvermės dėsnisNors transformatoriai gali keisti įtampą, jie negali gaminti energijos. Jei įtampa didėja, srovė proporcingai mažėja, todėl bendra galia (įtampa × srovė) išliks iš esmės pastovi (atėmus nedidelius nuostolius).

Kodėl transformatoriams reikia kintamosios srovės (ne nuolatinės)?

Vienas iš svarbiausių dalykų, kuriuos reikia suprasti apie kaip veikia elektros transformatoriai todėl jiems veikti būtinai reikalinga kintamoji srovė.

Prisiminkite Faradėjaus atradimą: kintantys magnetiniai laukai indukuoja elektros srovę. Svarbiausias žodis čia yra „kintantys“.

Su nuolatine sroveNuolatinė srovė teka viena kryptimi pastoviu greičiu. Kai pirmą kartą prijungiate nuolatinę srovę prie transformatoriaus pirminės apvijos, įvyksta trumpas pokytis, kuris indukuoja nedidelę srovę antrinėje apvijoje. Tačiau srovei stabilizuojantis, magnetinis laukas tampa pastovus, o pastovūs magnetiniai laukai srovės neindukuoja. Transformatorius iš esmės nustoja veikti.

Su kintamąja sroveKintamoji srovė nuolat keičia kryptį, paprastai 50–60 kartų per sekundę. Tai sukuria nuolat kintantį magnetinį lauką, kuris nuolat indukuoja srovę antrinėje apvijoje. Transformatorius veikia nuolat ir efektyviai.

Štai kodėl jūsų automobiliui reikia specialaus keitiklio, kad kintamosios srovės įrenginiai galėtų maitinti iš 12 V nuolatinės srovės akumuliatoriaus, ir kodėl elektros tinklas naudoja kintamąją energiją perdavimui ir paskirstymui. Transformatoriai ir kintamoji srovė yra puikūs partneriai, todėl įmanoma efektyviai paskirstyti elektros energiją.

„Step-up“ ir „step-down“ transformatoriai: posūkio santykio paslaptis

Grožis kaip veikia elektros transformatoriai slypi jų neįtikėtiname universalume. Tas pats pagrindinis principas gali padidinti arba sumažinti įtampą, visiškai priklausomai nuo laidų vijų tarp ričių santykio.

Pakopiniai transformatoriai (įtampos didinimas)

Pakopiniai transformatoriai antrinėje apvijoje turi daugiau vijų nei pirminėje. Kai reikia padidinti įtampą, išėjimo pusėje naudojama daugiau vijų.

Bendros programos:

• Galios perdavimas: Jėgainės išėjimo įtampos (paprastai 25 000 V) konvertavimas į aukštos įtampos perdavimo linijas (iki 765 000 V)
• Garso stiprintuvai: Galingų garsiakalbių signalo įtampos stiprinimas
• Įtampos keitikliaiLeidimas JAV prietaisams (110 V) veikti Europos šalyse (220 V)

Realaus pasaulio pavyzdysElektrinėje gali būti naudojamas transformatorius su 1000 apvijų pirminėje apvijoje ir 10 000 apvijų antrinėje apvijoje, kad būtų galima padidinti įtampą nuo 25 000 V iki 250 000 V ir užtikrinti efektyvų didelių atstumų perdavimą.

Žemesnio lygio transformatoriai (įtampos mažinimas)

Žeminamieji transformatoriai antrinėje apvijoje yra mažiau apsisukimų nei pirminėje. Tai turbūt dažniausiai pasitaikantys transformatoriai, su kuriais susiduriate kasdien.

Bendros programos:

• Kaimynystės pasiskirstymas: Perdavimo linijos įtampos (tūkstančiai voltų) sumažinimas iki buitinės įtampos (120 V / 240 V)
• Elektroninių prietaisų įkrovikliai: Buitinės įtampos konvertavimas į 5 V, 9 V arba 12 V, reikalingą telefonams, nešiojamiesiems kompiuteriams ir kitiems įrenginiams
• Pramoninė įranga: Užtikrina saugią, žemą įtampą valdymo grandinėms

Realaus pasaulio pavyzdysCilindrinis transformatorius, esantis ant elektros stulpo už jūsų namo ribų, gali turėti 7200 vijų pirminėje apvijoje (prijungtoje prie 7200 V skirstomosios linijos) ir tik 240 vijų antrinėje apvijoje (tiekiančioje 240 V įtampą jūsų namams).

Matematika tapo paprasta

Ryšys tarp apsisukimų ir įtampos yra nuostabiai paprastas:

Įtampos santykis = posūkio santykis

Jei antrinė apvija turi dvigubai daugiau vijų nei pirminė, išėjimo įtampa bus dvigubai didesnė už įėjimo įtampą. Jei antrinė apvija turi perpus mažiau vijų, išėjimo įtampa bus pusė įėjimo įtampos.

Bet čia yra kompromisasKai įtampa didėja, srovė proporcingai mažėja. Kai įtampa mažėja, srovė didėja. Taip palaikomas energijos tvermės dėsnis – transformatoriai negali pagaminti energijos iš nieko.

Formulė: Pirminė įtampa ÷ Antrinė įtampa = Pirminiai vijos ÷ Antriniai vijos

Šis elegantiškas paprastumas jau daugiau nei šimtmetį pavertė transformatorius elektros energijos paskirstymo stuburu.

Transformatorių konstrukcija: kodėl svarbus dizainas

Supratimas kaip veikia elektros transformatoriai reikalauja įvertinti sumanią inžineriją, dėl kurios jie tokie efektyvūs ir patikimi. Kiekvienas transformatoriaus konstrukcijos aspektas yra optimizuotas, siekiant maksimaliai padidinti energijos perdavimą ir sumažinti nuostolius.

Geležinis branduolys: magnetinis greitkelis

Transformatoriaus šerdis yra svarbiausias komponentas, užtikrinantis efektyvų energijos perdavimą. Štai kodėl dizainas yra svarbus:

Kodėl geležis? Geležis yra feromagnetinė, tai reiškia, kad ji gali sutelkti magnetinius laukus tūkstančius kartų geriau nei oras. Dėl didelio magnetinio pralaidumo magnetinis srautas sklinda per mažos varžos kelią, o tai žymiai pagerina transformatoriaus efektyvumą.

Laminuotas ir kietas branduolysAnkstyvieji transformatoriai naudojo kietas geležines šerdis, tačiau inžinieriai greitai atrado didelę problemą: sūkurines sroves. Kai kietieji laidininkai yra veikiami kintančių magnetinių laukų, medžiagoje susidaro apskritiminės srovės, kurios generuoja šilumą ir eikvoja energiją.

Sprendimas? Laminuotos šerdys pagaminti iš plonų (0,25–0,5 mm storio) silicio plieno lakštų, kurių kiekvienas nuo gretimų yra izoliuotas plona oksido danga arba laku. Šios laminacijos:

• Žymiai sumažinti sūkurinių srovių susidarymą
• Sumažinkite šerdies įkaitimą ir energijos nuostolius
• Pagerinkite bendrą transformatoriaus efektyvumą iki 95-99%
• Užtikrina geresnį šilumos išsklaidymą

Silicio plienasŠiuolaikinių transformatorių šerdyse naudojamas silicio plienas, o ne grynas geležis. Silicis padidina elektrinę varžą, dar labiau sumažindamas sūkurines sroves ir išlaikant puikias magnetines savybes.

Apvijų technikos ir medžiagos

Varinės vielos privalumaiTransformatoriaus apvijoms naudojama varinė viela, nes varis pasižymi geriausiu elektrinio laidumo, šiluminių savybių ir kainos deriniu. Kai kurie dideli transformatoriai, siekdami sutaupyti, naudoja aliuminio vielą, tačiau varis išlieka populiariausiu pasirinkimu.

Izoliacijos svarbaKiekvienas apvijų sluoksnis turi būti idealiai izoliuotas, kad būtų išvengta trumpųjų jungimų. Šiuolaikiniuose transformatoriuose naudojamos sudėtingos izoliacijos sistemos, įskaitant:

• Emalio danga ant atskirų laidų
• Popieriaus arba polimero izoliacija tarp sluoksnių
• Didelės galios transformatorių alyvos arba dujų izoliacija

Šilumos valdymasTransformatoriai eksploatacijos metu generuoja šilumą, daugiausia dėl apvijų varžos ir magnetinių nuostolių šerdyje. Efektyvios aušinimo sistemos – nuo paprastų oro cirkuliacijos iki sudėtingų alyvos aušinimo sistemų – yra būtinos patikimam darbui.

Šerdies tipai ir formos

EI laminavimasDažniausiai transformatoriaus konstrukcijoje naudojamos pakaitomis sukrautos E ir I formos laminatės. E formos dalys sudaro pagrindinį korpusą, o I formos dalys uždaro magnetinę grandinę. Ši konstrukcija užtikrina puikų magnetinį sujungimą ir leidžia lengvai surinkti.

Toroidiniai šerdysŽiedo formos (toroidinės) šerdys turi keletą privalumų:

• Minimalus magnetinio srauto nuotėkis
• Kompaktiškas, efektyvus dizainas
• Tylus veikimas
• Mažesni elektromagnetiniai trukdžiai

Apvalkalo ir branduolio tipas:

• Šerdies tipasApvijos, apvyniotos aplink šerdies kojas (dažniausiai pasitaiko paskirstymo transformatoriuose)
• Korpuso tipasŠerdis supa apvijas (pageidautina didelės galios taikymams)

Kiekvienas dizainas turi specifinių pranašumų, priklausomai nuo taikymo, įtampos lygio ir galios reikalavimų.

Transformatorių tipai ir jų pritaikymas

Principas kaip veikia elektros transformatoriai taikoma daugeliui skirtingų transformatorių tipų, kurių kiekvienas optimizuotas konkrečioms reikmėms.

Galios transformatoriai

Galios transformatoriai valdyti masinį elektros energijos perdavimą elektros tinkle:

Transmisijos transformatoriaiPadidinti elektrinės galią iki aukštos perdavimo įtampos (nuo 115 kV iki 765 kV), kad būtų galima efektyviai transportuoti didelius atstumus. Šie masyvūs įrenginiai gali sverti šimtus tonų ir apdoroti šimtus megavatų.

Skirstomieji transformatoriaiĮprasti cilindriniai arba ant padėklų montuojami transformatoriai, kurie mažina įtampą gyvenamuosiuose rajonuose ir pastatuose. Šie elektros tinklo „darbiniai arkliai“ vidutinės įtampos skirstymo linijas (paprastai 4–35 kV) konvertuoja į tinkamą naudoti įtampą (120 V–480 V).

Pastotės transformatoriaiDideli transformatoriai, kurie jungia perdavimo ir paskirstymo sistemas, dažnai mažinantys įtampą nuo perdavimo iki paskirstymo lygių.

Izoliaciniai transformatoriai

Izoliaciniai transformatoriai Užtikrinti elektros saugą, panaikinant tiesioginį ryšį tarp įvesties ir išvesties grandinių, net kai įtampos lygiai išlieka tie patys:

Medicinos įrangaLigoninėse naudojami izoliaciniai transformatoriai, siekiant apsaugoti pacientus nuo elektros smūgio, ypač tose vietose, kur medicinos prietaisai tiesiogiai liečiasi su pacientais.

Jautri elektronikaLaboratorinei ir bandymų įrangai dažnai reikalingi izoliaciniai transformatoriai, kad būtų pašalintos įžeminimo kilpos ir elektros triukšmas iš maitinimo šaltinio.

Saugos programosPramoninėje aplinkoje naudojami izoliaciniai transformatoriai, skirti apsaugoti darbuotojus ir įrangą nuo pavojingų įžeminimo gedimų.

Instrumentiniai transformatoriai

Srovės transformatoriai (CT)Sumažinkite dideles sroves iki saugių, išmatuojamų lygių, skirtų apsauginėms relėms ir matavimo įrangai. Tai leidžia stebėti elektros tinklą tiesiogiai neliečiant pavojingų didelių srovių.

Įtampos transformatoriai (VT)Sumažinkite aukštą įtampą iki saugaus lygio matavimo ir apsaugos sistemoms. Būtina stebėti elektros tinklo būklę.

Kombinuoti prietaisų transformatoriaiKai kuriose srityse naudojami transformatoriai, kurie viename įrenginyje transformuoja ir srovę, ir įtampą.

Specialūs transformatoriai

Garso transformatoriaiŠie transformatoriai, optimizuoti garso dažnio atsakui, užtikrina varžos suderinimą ir izoliaciją aukštos kokybės garso įrangoje.

Impulsiniai transformatoriaiSukurti greitiems įtampos pokyčiams valdyti, jie yra būtini skaitmeninėje elektronikoje ir perjungiamuosiuose maitinimo šaltiniuose.

AutotransformatoriaiVienos apvijos transformatoriai, kurie yra kompaktiškesni ir efektyvesni nei dviejų apvijų transformatoriai, dažniausiai naudojami įtampos reguliatoriuose ir kintamos įtampos maitinimo šaltiniuose.

Dažnos transformatorių problemos ir sprendimai

Supratimas kaip veikia elektros transformatoriai taip pat reiškia atpažinti, kada jie veikia netinkamai. Štai dažniausios problemos:

Perkaitimo problemos

SimptomaiKaršti transformatorių paviršiai, degėsių kvapai, alyvos nuotėkiai dideliuose transformatoriuose

PriežastysPerkrova, prasta ventiliacija, izoliacijos pažeidimas, per aukšta aplinkos temperatūra

SprendimaiApkrovos sumažinimas, geresnis aušinimas, profesionali apžiūra ir priežiūra

Šerdies prisotinimas

SimptomaiPer didelis įkaitimas, iškreiptos išėjimo bangos formos, garsus dūzgimas arba zvimbimas

PriežastysViršįtampio sąlygos, nuolatinės srovės komponentas kintamosios srovės tiekime, netinkamas transformatoriaus parinkimas

SprendimaiĮtampos reguliavimas, nuolatinės srovės blokavimas, tinkamo dydžio transformatoriaus parinkimas

Izoliacijos suskirstymas

SimptomaiElektros lankas, įžeminimo gedimai, sumažėjusi izoliacijos varža

PriežastysAmžius, drėgmės patekimas, terminis įtempis, elektros perkrova

SprendimaiProfesionalus bandymas, drėgmės šalinimas, izoliacijos keitimas arba transformatoriaus keitimas

Priežiūros patarimai

• Vizuali apžiūraReguliarūs patikrinimai, ar nėra fizinių pažeidimų, alyvos nuotėkio, perkaitimo požymių
• Elektros bandymaiMetinis izoliacijos varžos ir apsisukimų santykio bandymas kritinėse srityse
• Temperatūros stebėjimas: Užtikrinant tinkamą vėdinimą ir aušinimą
• Apkrovos stebėjimas: Užkerta kelią lėtiniam perkrovimui, kuris sutrumpina transformatoriaus tarnavimo laiką

Realaus pasaulio programos, kurias naudojate kiekvieną dieną

Principas kaip veikia elektros transformatoriai apima beveik kiekvieną šiuolaikinio gyvenimo aspektą:

Telefonų ir nešiojamųjų kompiuterių įkrovikliaiŠie kompaktiški perjungimo maitinimo šaltiniai naudoja aukšto dažnio transformatorius, kurie efektyviai konvertuoja kintamąją sieninę įtampą į nuolatinę įtampą, kurios reikia jūsų įrenginiams. Didesnis dažnis leidžia naudoti daug mažesnius ir lengvesnius transformatorius nei tradiciniai 60 Hz modeliai.

Mikrobangų krosnelėsNaudokite aukštos įtampos transformatorius, kad 120 V buitinę įtampą konvertuotumėte į 2 000–4 000 V, reikalingą magnetronui, kuris generuoja mikrobangas. Šie transformatoriai yra specialiai sukurti taip, kad atitiktų mikrobangų generavimo aukštos įtampos ir srovės poreikius.

Automobilių uždegimo sistemosŠiuolaikinėse transporto priemonėse naudojami uždegimo transformatoriai (uždegimo ritės), kurie automobilio 12 V akumuliatoriaus energiją paverčia 10 000–50 000 V įtampa, reikalinga uždegimo žvakių elektros lankams sukurti.

Elektros tinklo infrastruktūraKiekvieną kartą paspaudus šviesos jungiklį, elektra greičiausiai praeina per 4–6 skirtingus transformatorius:

1. Pakopinis transformatorius elektrinėje
2. Perdavimo pastotės transformatoriai
3. Skirstomųjų pastočių transformatoriai
4. Kaimynystės paskirstymo transformatorius
5. Galimi pastatui būdingi transformatoriai dideliems objektams

Garso įrangaAukščiausios klasės garso sistemose naudojami transformatoriai varžos suderinimui, triukšmo izoliacijai ir signalo sujungimui. Šie garso transformatoriai yra specialiai sukurti garso kokybei išsaugoti visame girdimo dažnių diapazone.

Suvirinimo įrangaLankinio suvirinimo aparatai naudoja transformatorius, kad standartinį elektros tiekimą konvertuotų į didelės srovės, kontroliuojamos įtampos išvestį, reikalingą suvirinimui. Šie tvirti transformatoriai turi atlaikyti didelį elektros ir šilumos krūvį.

Energijos vartojimo efektyvumas ir nuostoliai transformatoriuose

Modernus elektros transformatorių veikimas pasižymi puikiu efektyvumu – paprastai 95-99% – tačiau supratimas apie nedidelius nuostolius padeda įvertinti jų sudėtingą konstrukciją.

Transformatorių nuostolių tipai

Vario nuostoliai (I²R nuostoliai)Šiluma, kurią sukelia apvijų elektrinė varža. Šie nuostoliai didėja didėjant srovei ir juos galima sumažinti naudojant didesnius laidininkus ir optimalią apvijų konstrukciją.

Geležies šerdies nuostoliaiMagnetinės šerdies medžiagoje prarandama energija, kurią sudaro:

• Histerezės nuostoliaiEnergija, reikalinga šerdies pakartotiniam įmagnetinimui ir demagnetizavimui
• Sūkurinių srovių nuostoliaiŠerdies medžiagoje indukuotos apskritiminės srovės (sumažintos laminatais)

Atsitiktiniai nuostoliaiEnergijos nuostoliai elektromagnetiniuose laukuose, kurie neprisideda prie energijos perdavimo. Kruopštus projektavimas sumažina šiuos nuostolius tinkamai pritaikius magnetinį ekranavimą ir apvijų konfigūraciją.

Efektyvumo gerinimas

Šiuolaikinis transformatoriaus dizainas apima daugybę efektyvumo patobulinimų:

• Amorfinio plieno šerdysNaujesnės magnetinės medžiagos su mažesniais šerdies nuostoliais
• Optimizuoti apvijų projektaiKompiuteriu sukurti laidininkų išdėstymai, kurie sumažina varžą ir klaidžiojančius nuostolius
• Pažangios aušinimo sistemosGeresnis šilumos šalinimas leidžia pasiekti didesnį galios tankį ir efektyvumą
• Apkrovos keitikliusAutomatinės įtampos reguliavimo sistemos, kurios palaiko optimalų efektyvumą esant skirtingoms apkrovos sąlygoms

Energijos taupymo privalumai

Didelio efektyvumo transformatoriai, naudojami elektros tinkle, leidžia sutaupyti milžinišką energijos kiekį. 1% efektyvumo padidinimas skirstomuosiuose transformatoriuose kasmet sutaupo milijardus kilovatvalandžių dideliame elektros tinkle – to pakaktų aprūpinti energija šimtus tūkstančių namų.

Išplėstinės koncepcijos: daugiau nei pagrindai

Tiems, kurie domisi gilesniu supratimu kaip veikia elektros transformatoriai, kelios pažangios koncepcijos išplečia pagrindinius principus:

Trifaziai transformatoriai

Daugumoje elektros tinklo įrenginių naudojama trifazė elektra, kad būtų galima efektyviau perduoti energiją. Trifaziai transformatoriai naudoja arba tris atskirus vienfazius transformatorius, arba vieną trifazį įrenginį su trimis apvijų poromis ant bendros šerdies.

Trifazių sistemų privalumai:

• Efektyvesnis energijos perdavimas
• Sklandesnis energijos tiekimas
• Geresnis variklio veikimas
• Sumažinti laidininkų reikalavimai

Automatiniai transformatoriai

Autotransformatoriuose naudojama viena apvija, kuri atlieka ir pirminės, ir antrinės apvijos funkciją, o elektros jungtys yra skirtinguose apvijos taškuose. Ši konstrukcija yra kompaktiškesnė ir efektyvesnė nei transformatoriai su atskiromis apvijomis, tačiau neužtikrina elektros izoliacijos.

ParaiškosĮtampos reguliatoriai, variklių starteriai, trifazis į dvifazis įtampos keitimas

Kintamieji transformatoriai

Kintamo galingumo transformatoriai (pvz., „Variac®“ įrenginiai) leidžia nuolat reguliuoti įtampą keičiant transformatoriaus apvijos prijungimo tašką. Jie yra būtini įrangai ir taikymams, kuriems reikalingas tikslus įtampos valdymas, bandyti.

Aukšto dažnio transformatoriai

Šiuolaikinėje elektronikoje vis dažniau naudojami aukšto dažnio transformatoriai (veikiantys tūkstančiais ar milijonais Hz, o ne 60 Hz dažniu). Didesni dažniai leidžia naudoti daug mažesnes transformatorių šerdis ir pagerinti perjungimo maitinimo šaltinių efektyvumą.

ParaiškosKompiuterių maitinimo šaltiniai, LED valdikliai, belaidės įkrovimo sistemos, galios keitikliai

Dažnai užduodami klausimai

Diegimo ir techniniai klausimai

K: Ką reiškia, kai ant transformatorių pažymėti H ir X gnybtai?

A: H gnybtai žymi aukštos įtampos jungtis, o X gnybtai – žemesnės įtampos jungtis. Dažnas klaidingas supratimas yra tas, kad H gnybtai visada yra pirminiai, o X gnybtai antriniai – tai pasakytina apie žeminančius transformatorius, tačiau aukštinančius transformatorius jungtys turėtų būti sukeistos vietomis.

K: Ar vienfazį transformatorių galima paversti trifaziu?

A: Ne. Norint vienos fazės energiją paversti trijų fazių galia, reikalingi fazių keitikliai arba fazių keitimo įtaisai, tokie kaip reaktoriai ir kondensatoriai. Jums reikės arba trijų atskirų vienos fazės transformatorių, arba specialiai pagaminto trifazio transformatoriaus.

K: Kas sukelia garsius ar neįprastus triukšmus transformatoriuose?

A: Transformatoriaus triukšmą sukelia magnetostrikcija, dėl kurios magnetinis plieno lakštas įmagnetinamas išsitempia, o išmagnetinamas susitraukia. Kiekvieno kintamosios srovės ciklo metu šerdies lakštuose išsitempia ir susitraukia netolygiai, sukeldami vibraciją ir triukšmą. Per didelis triukšmas gali rodyti atsilaisvinusius komponentus, perkrovą arba šerdies problemas, kurias reikia patikrinti specialistui.

K: Kodėl transformatorių, kurių galia didesnė nei 1 kVA, negalima lengvai atjungti nuo maitinimo šaltinio (naudoti atvirkščiai)?

A: Didesnių transformatorių atbulinis maitinimas gali sukelti dideles įjungimo sroves transformatoriaus įjungimo metu ir nepageidaujamą grandinės pertraukiklių bei saugiklių suveikimą. Šią problemą sunku numatyti ir brangu išspręsti. Geriau pirkti transformatorius, specialiai apvyniotus kaip įtampos kėlimo įrenginius atvirkštiniam naudojimui.

Transformatorinė alyva ir priežiūra

K: Kiek laiko paprastai tarnauja transformatoriai?

A: Bendras transformatoriaus tarnavimo laikas gali svyruoti nuo 20 iki 40 metų, priklausomai nuo sąlygų – nuo komponentų kokybės iki priežiūros praktikos. Kai kurie transformatoriai tarnauja dešimtmečius be didesnių problemų, o kiti dėl aplinkos veiksnių ar prastos priežiūros per anksti susidėvi.

K: Kokie yra pagrindiniai veiksniai, sutrumpinantys transformatoriaus tarnavimo laiką?

A: Trys komponentai, lemiantys transformatoriaus tarnavimo laiką, yra šiluma, drėgmė ir deguonis. Padidėjus darbinei temperatūrai 10 °C, oksidacijos šalutiniai produktai, kurie ardo celiuliozės popierių, padvigubėja. Tinkamas aušinimas ir perkrovų vengimas yra būtini ilgaamžiškumui.

K: Kaip dažnai reikia tikrinti transformatorinę alyvą?

A: „SDMyers“ rekomenduoja kasmet atlikti dielektrinio skysčio mėginių tyrimus, kad būtų gauti svarbūs duomenys, leidžiantys nustatyti problemas, diagnozuoti galimas problemas ir užkirsti kelią gedimams. NFPA 70B standartizavimas 2023 m. reiškia, kad metinis skysčių mėginių ėmimas ir bandymai dabar yra minimalus transformatorių priežiūros reikalavimas. Svarbiausią įrangą gali reikėti tikrinti dažniau.

K: Kokių aplinkos sąlygų reikėtų vengti renkant naftos mėginius?

A: Reikėtų vengti šaltų sąlygų arba sąlygų, kai santykinė oro drėgmė viršija 70 procentų, nes tai padidins drėgmės kiekį mėginyje. Ideali situacija yra 35 °C (95 °F) ar aukštesnė temperatūra, 0 procentų oro drėgmės ir be vėjo.

K: Ką iš tikrųjų daro transformatorinė alyva?

A: Transformatorinė alyva atlieka tris pagrindines funkcijas: tai puiki dielektrinė terpė komponentams izoliuoti, gera šilumos perdavimo medžiaga, išsklaidanti šilumą nuo apvijų iki bako sienelių ir radiatorių, ir tai vis dar pigiausias skystis, skirtas transformatoriams.

Saugos ir įrengimo problemos

K: Kas nutinka, jei transformatoriaus antrinis apvadas nėra tinkamai įžemintas?

A: Jei transformatoriaus antrinis apvadas nėra tinkamai įžemintas, išėjimo įtampa tarp fazių atrodys normali, tačiau ji svyruos ir nebus susieta su įžeminimu. Tai sukelia pavojų saugai ir matavimo problemų.

K: Ar visiems transformatoriams reikalingos vibracijos pagalvėlės?

A: Visi transformatoriai vibruoja 120 Hz dažniu dėl šerdyje esančio elektromagnetinio lauko. Šios vibracijos ir girdimas triukšmas gali būti perduodami per grindis; vibracijos pagalvėlės ir izoliatoriai padeda sumažinti šią problemą komercinėse srityse.

K: Ar transformatoriai gali perkaisti dėl harmoninio iškraipymo?

A: Dėl netiesinių apkrovų paplitimo ir jų sukuriamų harmonikų, transformatoriai gali perkaisti, jei jie nėra tinkamai parinkti. Šiuolaikinės elektroninės apkrovos sukuria harmonikas, kurios gali sukelti papildomą įkaitimą, viršijantį vardinėje plokštelėje nurodytą ribą.

Našumas ir efektyvumas

K: Kas yra įtampos reguliavimas transformatoriuose?

A: Transformatorių įtampos reguliavimas yra skirtumas tarp pilnos apkrovos įtampos ir įtampos be apkrovos, paprastai išreiškiamas procentais. Geras reguliavimas reiškia, kad išėjimo įtampa išlieka stabili esant kintančioms apkrovos sąlygoms.

K: Kas yra transformatorių temperatūros kilimas?

A: Transformatoriaus temperatūros padidėjimas yra vidutinė apvijų, alyvos ir izoliacijos temperatūra, viršijanti esamą aplinkos temperatūrą. Ši specifikacija nurodo, kiek šilumos transformatorius išskiria įprasto veikimo metu.

K: Kiek tinkama priežiūra gali sumažinti transformatorių gedimų skaičių?

A: Tinkama priežiūra gali sumažinti gedimų skaičių daugiau nei 40%, pailginti įrangos tarnavimo laiką ir išvengti katastrofiškų gedimų. Reguliarus aptarnavimas leidžia sutaupyti daug lėšų, palyginti su avariniu remontu ar keitimu.

Trikčių šalinimas ir diagnostika

K: Ką pirmiausia reikėtų patikrinti, kai transformatorius neveikia?

A: Jei transformatorių galima įjungti, išmatuokite išėjimo įtampą be apkrovos, kad įsitikintumėte, jog įtampa neviršija tolerancijos. Jei apkrovos pusėje yra neutralus laidininkas, įsitikinkite, kad neutralus įžeminimas yra atliktas pagal Nacionalinio elektros kodekso reikalavimus.

K: Kokie yra transformatoriaus problemų įspėjamieji ženklai?

A: Keistus arba garsius garsus paprastai sukelia vibracija, kai komponentai barška labiau nei įprastai, o tai rodo atsilaisvinusius varžtus arba net alyvos trūkumą. Dūmus dažniausiai sukelia atviri laidai, kurie kibirkščiuoja ir dūmus formuoja.

K: Ką ištirpusių dujų analizė (DGA) gali pasakyti apie transformatoriaus būklę?

A: DGA bandymas nustato aliejuje ištirpusias dujas, tokias kaip acetilenas, metanas, vandenilis, etanas, etanas, etilenas, deguonis ir anglies monoksidas. Skirtingi dujų deriniai rodo specifinius vidinių problemų tipus, todėl galima numatyti techninę priežiūrą prieš įvykstant gedimams.

K: Kaip dažnai reikia atlikti vizualinę apžiūrą?

A: Mėnesinės vizualinės apžiūros, pusmetinė alyvos analizė, metiniai elektros bandymai ir nuolatinis aušinimo sistemų stebėjimas yra veiksmingų transformatorių priežiūros programų pagrindas.

Praktinis pritaikymas

K: Kodėl energetikos įmonės naudoja tokią aukštą perdavimo įtampą?

A: Didesnė perdavimo įtampa smarkiai sumažina srovę esant tam pačiam galios lygiui, o tai sumažina I²R nuostolius perdavimo linijose. Dėl to dideliais atstumais elektros energijos perdavimas yra ekonomiškas ir efektyvus, tačiau norint saugiai naudoti, reikia transformatorių, kurie sumažintų įtampą.

K: Ar transformatorius galima montuoti patalpose be ypatingų aplinkybių?

A: Patalpų transformatoriams reikalinga tinkama ventiliacija aušinimui, tinkami elektros atstumai ir, priklausomai nuo aplinkos, jiems gali prireikti specialių gaubtų (NEMA įvertinimai). Alyva užpildytiems transformatoriams gali prireikti papildomų priešgaisrinės apsaugos sistemų ir izoliacijos aplinkai apsaugoti.

K: Kokio dydžio transformatoriaus man reikia mano programai?

A: Transformatoriaus dydis priklauso nuo bendros prijungtos apkrovos, galios koeficiento, variklių paleidimo srovių ir galimo būsimo išplėtimo. Bendroji taisyklė yra transformatoriaus dydis, atitinkantis 125% apskaičiuotą apkrovą, tačiau dėl konkrečių pritaikymų pasitarkite su elektros specialistais, kad užtikrintumėte tinkamą dydį ir atitiktį kodeksui.

Išvada

Supratimas kaip veikia elektros transformatoriai atskleidžia vieną elegantiškiausių žmonijos inžinerinių sprendimų. Paprastu, bet giliu elektromagnetinės indukcijos principu transformatoriai įgalina visą mūsų elektros infrastruktūrą – nuo masyvių elektrinių iki išmaniojo telefono įkroviklio šalia jūsų lovos.

Kitą kartą prijungę įrenginį prie elektros tinklo ar paspausdami šviesos jungiklį, įvertinsite nematomą transformatorių grandinę, kuri leidžia gauti šiuolaikinę elektros energiją. Nuo Michaelo Faradėjaus 1831 m. atradimo iki šiandieninių itin efektyvių konstrukcijų, transformatoriai ir toliau yra tylūs didvyriai, maitinantys mūsų pasaulį.

Nesvarbu, ar esate studentas, profesionalas ar smalsus besimokantysis, šių pagrindinių sąvokų suvokimas atveria duris į daugybės kitų elektros ir elektronikos sistemų supratimą. Elektromagnetinės indukcijos principas, kuris maitina transformatorius, taip pat valdo generatorius, variklius, belaidžius įkroviklius ir daugybę kitų technologijų, kurios formuoja mūsų kasdienį gyvenimą.

Pasiruošę tyrinėti daugiau elektrotechnikos koncepcijų? Transformatorių supratimas suteikia puikų pagrindą mokytis apie elektros sistemas, elektros mašinas ir žavų elektromagnetizmo pasaulį, kuris mus supa kiekvieną dieną.