Een transformator is een elektromagnetisch apparaat dat wordt gebruikt om wisselstroom van één spanning en frequentie om te zetten in wisselstroom van een andere (of gelijke) spanning en dezelfde frequentie.
Inhoud
Het apparaat en de werking van de transformator
In het eenvoudigste geval transformator bevat één primaire wikkeling met het aantal windingen W1 en een secundaire met het aantal windingen W2. Energie wordt geleverd aan de primaire wikkeling, de belasting is aangesloten op de secundaire. De overdracht van energie gebeurt door elektromagnetische inductie. Om de elektromagnetische koppeling te verbeteren, worden de wikkelingen in de meeste gevallen op een gesloten kern geplaatst (magnetisch circuit).
Als een wisselspanning U wordt toegepast op de primaire wikkeling1, dan een wisselstroom I1, die een magnetische flux Ф van dezelfde vorm in de kern creëert.Deze magnetische flux induceert een EMF in de secundaire wikkeling. Als een belasting is aangesloten op het secundaire circuit, wordt een secundaire stroom I2.
De spanning in de secundaire wikkeling wordt bepaald door de verhouding van windingen W1 en W2:
jij2=U1*(W1/W2)=U1/k, waar k is transformatieverhouding.
Als k<1, dan U2>U1, en zo'n transformator wordt step-up genoemd. Als k>1, dan U2<U1, zo een de transformator heet step down. Aangezien het uitgangsvermogen van de transformator gelijk is aan het ingangsvermogen (minus de verliezen in de transformator zelf), kunnen we zeggen dat Pout \u003d Pin, U1*L1=U2*L2 en ik2= ik1*k=I1*(W1/W2). In een verliesvrije transformator zijn de ingangs- en uitgangsspanningen dus recht evenredig met de verhouding van de windingen. En de stromen zijn omgekeerd evenredig met deze verhouding.
Een transformator kan meer dan één secundaire wikkeling hebben met verschillende verhoudingen. Dus een transformator voor het voeden van huishoudelijke lampapparatuur van een 220 volt-netwerk kan één secundaire wikkeling hebben, bijvoorbeeld 500 volt voor het voeden van anodecircuits en 6 volt voor het voeden van gloeilampencircuits. In het eerste geval k<1, in het tweede - k>1.
De transformator werkt alleen met wisselspanning - voor het optreden van EMF in de secundaire wikkeling moet de magnetische flux veranderen.
Typen kernen voor transformatoren
In de praktijk worden niet alleen kernen van de aangegeven vorm gebruikt. Afhankelijk van het doel van het apparaat kunnen magnetische circuits op verschillende manieren worden uitgevoerd.
Staafkernen
De magnetische circuits van laagfrequente transformatoren zijn gemaakt van staal met uitgesproken magnetische eigenschappen.Om wervelstromen te verminderen, is de kernarray samengesteld uit afzonderlijke platen die elektrisch van elkaar geïsoleerd zijn. Om met hoge frequenties te werken, worden andere materialen gebruikt, bijvoorbeeld ferrieten.
De hierboven beschouwde kern wordt een kern genoemd en bestaat uit twee staven. Voor enkelfasige transformatoren worden ook magnetische circuits met drie staven gebruikt. Ze hebben minder magnetische lekstroom en een hoger rendement. In dit geval bevinden zowel de primaire als secundaire wikkelingen zich op de centrale staaf van de kern.
Driefasige transformatoren worden ook gemaakt op drie-staafkernen. Ze hebben de primaire en secundaire wikkelingen van elke fase, elk op zijn eigen kern. In sommige gevallen worden magnetische circuits met vijf staven gebruikt. Hun windingen bevinden zich op precies dezelfde manier - elke primaire en secundaire op zijn eigen staaf, en de twee extreme staven aan elke kant zijn alleen bedoeld voor het sluiten van magnetische fluxen in bepaalde modi.
gepantserd
In de gepantserde kern worden enkelfasige transformatoren gemaakt - beide spoelen worden op de centrale kern van het magnetische circuit geplaatst. De magnetische flux in zo'n kern sluit op dezelfde manier als een constructie met drie staven - door de zijwanden. De lekstroom is in dit geval erg klein.
De voordelen van dit ontwerp omvatten enige winst in grootte en gewicht vanwege de mogelijkheid om het kernvenster dichter te vullen met wikkeling, dus het is voordelig om gepantserde kernen te gebruiken voor de vervaardiging van transformatoren met laag vermogen. Dit resulteert ook in een korter magnetisch circuit, wat leidt tot een vermindering van nullastverliezen.
Het nadeel is de moeilijkere toegang tot de wikkelingen voor revisie en reparatie, evenals de toegenomen complexiteit van het vervaardigen van isolatie voor hoge spanningen.
ringkern
In torusvormige kernen is de magnetische flux volledig gesloten in de kern en is er praktisch geen magnetische lekstroom. Maar dergelijke transformatoren zijn moeilijk op te winden, dus worden ze vrij zelden gebruikt, bijvoorbeeld in instelbare autotransformatoren met laag vermogen of in hoogfrequente apparaten waar ruisimmuniteit belangrijk is.
Autotransformator
In sommige gevallen is het raadzaam om dergelijke transformatoren te gebruiken, die niet alleen een magnetische verbinding tussen de wikkelingen hebben, maar ook een elektrische. Dat wil zeggen, in step-up-apparaten maakt de primaire wikkeling deel uit van de secundaire, en in step-down-apparaten, het secundaire deel van de primaire. Zo'n apparaat wordt een autotransformator (AT) genoemd.
Een step-down autotransformator is geen eenvoudige spanningsdeler - magnetische koppeling is ook betrokken bij de overdracht van energie naar het secundaire circuit.
De voordelen van autotransformatoren zijn:
- kleinere verliezen;
- de mogelijkheid van een soepele spanningsregeling;
- kleinere gewichts- en maataanduidingen (een autotransformator is goedkoper, het is gemakkelijker om hem te vervoeren);
- lagere kosten door de kleinere benodigde hoeveelheid materiaal.
De nadelen zijn onder meer de noodzaak om isolatie van beide wikkelingen te gebruiken, ontworpen voor hogere spanning, evenals het ontbreken van galvanische isolatie tussen de ingang en uitgang, waardoor de effecten van atmosferische verschijnselen van het primaire circuit naar het secundaire circuit kunnen worden overgedragen. In dit geval kunnen de elementen van het secundaire circuit niet worden geaard.Ook wordt het nadeel van AT beschouwd als verhoogde kortsluitstromen. Voor driefasige autotransformatoren zijn de wikkelingen meestal verbonden in een ster met een geaarde nulleider, andere verbindingsschema's zijn mogelijk, maar te ingewikkeld en omslachtig. Dit is ook een nadeel dat de reikwijdte van autotransformatoren beperkt.
Toepassing van transformatoren
De eigenschap van transformatoren om de spanning te verhogen of te verlagen, wordt veel gebruikt in de industrie en in het dagelijks leven.
Spanning transformatie
In verschillende stadia worden verschillende eisen gesteld aan het niveau van industriële spanning. Bij het opwekken van elektriciteit is het om verschillende redenen onrendabel om hoogspanningsgeneratoren te gebruiken. Daarom worden bij waterkrachtcentrales bijvoorbeeld generatoren voor 6 ... 35 kV gebruikt. Om elektriciteit te transporteren, heeft u daarentegen een verhoogde spanning nodig - van 110 kV tot 1150 kV, afhankelijk van de afstand. Verder wordt deze spanning weer teruggebracht tot het niveau van 6 ... 10 kV, gedistribueerd naar lokale onderstations, vanwaar het wordt teruggebracht tot 380 (220) volt en naar de eindverbruiker komt. In huishoudelijke en industriële apparaten moet deze ook worden verlaagd, meestal tot 3 ... 36 volt.
Al deze bewerkingen worden uitgevoerd met: met behulp van transformatoren. Ze kunnen droog of op oliebasis zijn. In het tweede geval wordt de kern met wikkelingen in een tank met olie geplaatst, wat een isolerend en koelend medium is.
Galvanische isolatie
Galvanische scheiding verhoogt de veiligheid van elektrische apparaten. Als het apparaat niet rechtstreeks wordt gevoed vanuit een 220 volt netwerk, waarbij een van de geleiders is aangesloten op de grond, maar via een 220/220 volt transformator, dan blijft de voedingsspanning gelijk.Maar met gelijktijdige aanraking van de aarde en secundaire stroomvoerende delen van het circuit voor de stroomstroom, zal er geen stroom vloeien en zal het gevaar van elektrische schokken veel lager zijn.
Spanningsmeting
In alle elektrische installaties is het noodzakelijk om het spanningsniveau te regelen. Als een spanningsklasse tot 1000 volt wordt gebruikt, dan worden de voltmeters direct aangesloten op spanningvoerende delen. In elektrische installaties boven 1000 volt werkt dit niet - apparaten die bestand zijn tegen een dergelijke spanning blijken te omvangrijk en onveilig te zijn in het geval van een isolatiestoring. Daarom zijn voltmeters in dergelijke systemen verbonden met hoogspanningsgeleiders via transformatoren met een handige transformatieverhouding. Voor 10 kV-netwerken worden bijvoorbeeld instrumenttransformatoren 1:100 gebruikt, de uitgang is een standaardspanning van 100 volt. Als de spanning op de primaire wikkeling in amplitude verandert, verandert deze tegelijkertijd op de secundaire. De voltmeterschaal is meestal gegradueerd in het primaire spanningsbereik.
De transformator is een vrij complex en duur element voor productie en onderhoud. In veel gebieden zijn deze apparaten echter onmisbaar en is er geen alternatief voor.
Vergelijkbare artikelen:
