Hogyan van felépítve és működik a transzformátor, milyen tulajdonságokat vesz figyelembe az üzemeltetés során?

Az energiamérnöki, az elektronikai és az alkalmazott villamosmérnöki ágazatokban nagy szerepet kap az elektromágneses energia egyik típusról a másikra történő átalakulása. Számos transzformátor eszköz, amelyet különféle gyártási feladatokhoz hoztak létre, foglalkozik ezzel a kérdéssel.

Néhányuk, a legbonyolultabb felépítésű, például hatalmas nagyfeszültségű energiaáramok átalakítását hajtja végre. 500 vagy 750 kilovolttal 330 és 110 kV-os feszültség alatt vagy ellenkező irányban.

Mások kis méretű háztartási készülékek, elektronikus eszközök, automatizálási rendszerek részeként működnek. Széles körben használják őket. a mobil eszközök különféle tápegységeiben.

A transzformátorok csak különféle frekvenciájú váltakozó áramkörökben működnek, és nem használhatók olyan egyenáramú áramkörökben, amelyek más típusú konvertert használnak.

A transzformátorokat két fő csoportra osztják: egyfázisú, egyfázisú váltakozó áramú hálózat által táplált, és háromfázisú, háromfázisú váltakozó áramú hálózat által táplált.

A transzformátorok kivitele nagyon változatos. A transzformátor fő elemei: zárt acélmag (mágneses mag), tekercsek és alkatrészek, amelyek a mágneses áramkör és a tekercsek tekercsekkel történő rögzítéséhez, valamint a transzformátor beépítéséhez az egyenirányító eszközbe használhatók. A magcsövet úgy tervezték, hogy zárt utat hozzon létre a mágneses fluxushoz.

A mágneses áramkör azon részeit, amelyeken a tekercsek vannak, rúdnak nevezzük, és azokat a részeket, amelyeken nincs tekercs, és amelyek a mágneses áramkörben a mágneses áramlás bezárását szolgálják, igáknak nevezzük. A transzformátor mágneses áramköre anyaga elektromos acéllemez (transzformátor acél). Ez az acél különféle minőségű, vastagságú, hidegen és melegen hengerelhető.

A transzformátorok működésének általános alapelvei

Tudjuk, hogy az elektromágneses energia elválaszthatatlan. De szokás, hogy két részből áll:

1. elektromos;

2. mágneses.

Könnyebb megérteni a bekövetkező jelenségeket, leírni a folyamatokat, elvégezni a számításokat, megtervezni a különböző eszközöket és áramköröket. Az elektrotechnika teljes szakasza az elektromos és mágneses áramkörök működésének külön elemzésére szolgál.

Az elektromos áram, akárcsak a mágneses fluxus, csak zárt áramkörön áramlik, ellenállású (elektromos vagy mágneses). Ezt külső alkalmazott erők - a megfelelő energiák feszültségforrásai - képezik.

A transzformátor eszközök működési elveinek mérlegelésekor azonban mindkét tényezőt egyszerre kell tanulmányozni, és figyelembe kell venni azok komplex hatását az energiaátalakításra.

A legegyszerűbb transzformátor két tekercsből áll, amelyeket egy szigetelt huzal tekercsekkel készítenek, amelyeken keresztül áramlik az elektromos áram, és egy vonalból áll a mágneses fluxushoz. Ezt általában magnak vagy mágneses magnak nevezik.

Az U1 villamos energiaforrás feszültsége az egyik tekercs bemenetére kerül, a második kapcsaira pedig az U2-re való átalakítás után az R csatlakoztatott terhelésre kerül.

Az U1 feszültség hatására az I1 áram zárt körben áramlik az első tekercsben, amelynek értéke a Z impedanciától függ, amely két komponensből áll:

1. a tekercs huzalának aktív ellenállása;

2. induktív karakterisztikus reaktív komponens.

Az induktivitás nagysága nagyban befolyásolja a transzformátor működését.

Az elsődleges tekercsen az I1 áram formájában áramló elektromos energia az elektromágneses energia része, amelynek mágneses tere merőlegesen irányul a töltések mozgására vagy a huzal fordulásának helyzetére. A transzformátor magja a síkjában helyezkedik el - a mágneses áramkörben, amelyen keresztül az F mágneses fluxus

Mindez világosan tükröződik a képen, és a gyártás során szigorúan betartják. Maga a mágneses áramkör is zárva van, bár bizonyos célokra, például a mágneses fluxus csökkentése érdekében, réseket lehet tenni benne, növelve annak mágneses ellenállását.

A primer áramnak a tekercsen keresztüli áramlása miatt az elektromágneses mező mágneses komponense behatol a mágneses körbe, és ezen keresztül áramlik, áthaladva a másodlagos tekercs fordulatait, amelyek az R kimeneti ellenálláshoz vannak zárva.

A mágneses fluxus hatására az I2 elektromos áramot indukálja a szekunder tekercsben. Értékét befolyásolja az alkalmazott mágneses alkatrész szilárdsága és az áramkör impedanciája, beleértve a csatlakoztatott R terhelést.

Amikor a transzformátor a mágneses áramkörön belül működik, egy közös F mágneses fluxus és annak F1 és F2 komponensei jönnek létre.

Hogyan működik az autotranszformátor?

A transzformátorberendezések között az egyszerűsített konstrukciók különösen népszerűek, nem két külön gyártott tekercset használnak, hanem egy közös, szakaszokra osztott tekercset. Autotranszformátoroknak nevezzük.

Egy ilyen áramkör működési elve gyakorlatilag változatlan maradt: a bemenő elektromágneses energiát kimenővé konvertálják. Az I1 primer áramok a W1 tekercs tekercsein, a szekunder I2 pedig a W2 tekercsen folynak. A mágneses áramkör útvonalat biztosít az F mágneses fluxushoz.

Az autotranszformátor galvanikus kapcsolatban van a bemeneti és a kimeneti áramkörök között. Mivel a forrás nem minden felhasznált teljesítménye átalakul, hanem annak csak egy része, így nagyobb hatékonyság érhető el, mint egy hagyományos transzformátornál.

Az ilyen konstrukciók anyagokat takaríthatnak meg: acél a mágneses áramkör számára, réz a tekercseléshez. Kevesebb súlyuk és költségeik vannak. Ezért hatékonyan használják őket az energiarendszerben 110 kV-nál vagy magasabb feszültségnél.

A transzformátor és az autotranszformátor üzemmódjában gyakorlatilag nincs különbség.

A transzformátor működési módjai

Működés közben bármilyen transzformátor a következő állapotok egyikében lehet:

• munkanélküli;

• névleges üzemmód;

• alapjáraton;

• rövidzárlat;

• túlterhelés.

Leállítás mód

Ennek létrehozásához elegendő eltávolítani az elektromos áramforrás tápfeszültségét az elsődleges tekercsről, és ezzel kizárni az elektromos áram áthaladását rajta, amelyet hasonló eszközökkel mindig meghibásodás nélkül végeznek.

A gyakorlatban azonban a komplex transzformátorszerkezetekkel végzett munka során ez az intézkedés nem biztosít teljes mértékben biztonsági intézkedéseket: a feszültség fennmaradhat a tekercsen, és kárt okozhat a berendezésben, és veszélyeztetheti a személyzetet az aktuális kisülések véletlenszerű kitettsége miatt.

Hogyan történhet ez?

A tápellátásként működő kis méretű transzformátorok esetében, amint az a felső képen látható, az idegen feszültség nem okoz kárt. Innentől egyszerűen sehova nem kell vinnie. És az energiaellátó berendezéseknél ezt figyelembe kell venni. Két általános okot fogunk elemezni:

1. külső áramforrás csatlakoztatása;

2. indukált feszültség hatása.

Első lehetőség

Komplex transzformátorokon nem egy, hanem több tekercset használnak, amelyeket különféle áramkörökben használnak. Mindegyiket le kell választani feszültségről.

Ezen túlmenően az automatikus üzemmódban működő, állandó üzemi személyzet nélküli alállomásokon további transzformátorok vannak csatlakoztatva az erőátviteli transzformátorok buszjaihoz, biztosítva az alállomás saját igényeit 0,4 kV-os villamos energiával.Úgy tervezték, hogy védelemre, automatizálási eszközökre, világításra, fűtésre és egyéb célokra szolgáljanak.

Ezek úgynevezett - TSN vagy kisegítő transzformátorok. Ha a feszültséget eltávolítják a hálózati transzformátor bemenetéből, és szekunder áramkörei nyitva vannak, és a TSN-en munkát végeznek, akkor fennáll a fordított átalakítás lehetősége, amikor az alsó oldalról származó 220 V feszültség a csatlakoztatott erőátmenő buszokon keresztül átjut a magasba. Ezért ezeket ki kell kapcsolni.

Indukált feszültség fellépés

Ha a feszültség alatt futó nagyfeszültségű vezeték áthalad egy leválasztott transzformátor buszjai közelében, akkor az rajta áramló áramok feszültséget okozhatnak a gumiabroncsokon. Intézkedéseket kell alkalmazni annak eltávolítására.

Névleges üzemmód

Ez a transzformátor normál állapota annak működése közben, amelyre létrehozta. A tekercsekben lévő áramok és az ezekre alkalmazott feszültségek megfelelnek a kiszámított értékeknek.

A transzformátor névleges terhelési üzemmódban a teljes erõforrás tervezési értékeinek megfelelõ kapacitásokat fogyasztja és konvertálja.

Készenléti állapotban

Akkor jön létre, amikor a transzformátorra feszültséget táplálnak az áramforrásról, és a terhelést leválasztják a kimeneti tekercs csatlakozóin, azaz az áramkör nyitva van. Ez kiküszöböli a másodlagos tekercsen keresztüli áramlást.

Készenléti állapotban a transzformátor a lehető legalacsonyabb energiát fogyasztja, a tervezési jellemzői alapján.

Rövidzár üzemmód

Ez az a helyzet, amikor a transzformátorhoz kapcsolt terhelés rövidre mutat, nagyon alacsony elektromos ellenállású láncokkal szorosan el van tolva, és a feszültségforrás teljes tápegysége rá hat.

Ebben a módban a hatalmas rövidzárlati áramok gyakorlatilag korlátlanok. Hatalmas hőenergiájuk van, és képesek vezetékeket vagy berendezéseket elégetni. Ezen felül addig működnek, amíg a másodlagos vagy primer tekercset átmenő áramkör kiég, és a leggyengébb helyen megszakad.

Ez a legveszélyesebb mód, amely a transzformátor működése közben fordulhat elő, és bármikor, a legváratlanabb pillanatban. Megjelenése előre látható, és a fejlesztést korlátozni kell. Ebből a célból olyan védőeszközöket használnak, amelyek figyelik a megengedett áramok túllépését a rakományon, és a lehető leggyorsabban kikapcsolják őket.

Túlfeszültség üzemmód

A transzformátor tekercseit egy szigetelőréteggel borítják, amelyet egy bizonyos feszültség alatt működtetnek. Működés közben túlléphető különféle okok miatt, amelyek mind az elektromos rendszeren belül, mind a légköri jelenségeknek való kitettség miatt felmerülhetnek.

A gyárban meghatározzák a megengedett túlfeszültség értékét, amely akár több órán keresztül képes a szigetelésre és a tranziensek által létrehozott rövid távú túlfeszültségekre a berendezés váltása során.

Az ütés elkerülése érdekében védelmet nyújtanak a feszültségnövekedés ellen, amelyek vészhelyzet esetén automatikusan kikapcsolják az áramot az áramkörből, vagy korlátozzák a kisülési impulzusokat.

A cikk folytatása:A transzformátorok főbb típusai