Transformatorius — kas tai? Veikimo principas, tipai ir panaudojimas

Sužinokite, kas yra transformatorius, jo veikimo principą, pagrindinius tipus ir panaudojimo sritis — nuo mažų elektronikos įrenginių iki didžiųjų elektros tinklų.

Transformatorius - tai prietaisas, kuris perduoda elektros energiją iš vienos elektros grandinės į kitą dėl abipusės (elektromagnetinės indukcijos) ir nekeisdamas dažnio. Transformatoriai yra svarbi elektros sistemų dalis.

Gaminami įvairių dydžių transformatoriai - nuo labai mažo jungiamojo transformatoriaus, esančio scenos mikrofono viduje, iki didelių įrenginių, kurių galia siekia šimtus MVA ir kurie naudojami elektros tinkluose.

Pagrindinė transformatoriaus naudojimo priežastis yra ta, kad vieno įtampos lygio energija būtų paversta kito įtampos lygio energija. Aukštą įtampą lengviau siųsti dideliu atstumu, tačiau mažesnės įtampos energiją lengviau ir saugiau naudoti biure ar namuose. Transformatoriai naudojami kintamosios srovės (AC) įtampai grandinėse padidinti arba sumažinti. Transformatorius paprastai būna sukonstruotas su dviem ritėmis aplink tą pačią šerdį. Pirminė ritė arba įėjimo ritė prijungta prie maitinimo šaltinio pusės, o antrinė ritė tiekia energiją apkrovai. Antroji ritė vadinama išėjimo rite. Energija iš pirminės ritės į antrinę perduodama elektromagnetiniu būdu. Elektros tinkluose naudojama daug transformatorių. Tai tinklai, skirti elektros energijai tiekti iš generatoriaus ir vartotojui.

Jūsų kaimynystėje ant elektros stulpų arba prie požeminių laidų prijungti transformatoriai paprastai transformuoja aukštą 7200 voltų įtampą į 220-240 voltų elektros srovę, kad būtų galima maitinti šviesas ir prietaisus, pavyzdžiui, šaldytuvus namuose ir įmonėse. Kai kuriose šalyse, pavyzdžiui, Amerikoje, namuose naudojama kitokia įtampa, pavyzdžiui, 120 voltų. Transformatoriai negali padidinti galios, todėl, padidinus įtampą, srovė proporcingai sumažėja. Jei įtampa sumažinama, srovė proporcingai padidinama.

Elektronikos įrangos viduje esantys transformatoriai tiekia įvairioms dalims reikalingą elektros energiją.

Yra keli pagrindiniai transformatorių tipai:

Veikimo principas trumpai

Transformatorius veikia pagal elektromagnetinės indukcijos principą. Kai per pirminę ritę praeina kintamoji srovė, ji sukuria kintantį magnetinį lauką šerdyje. Šis kintantis laukas indukuoja įtampą antrinėje ritėje. Pagrindinės idealios transformatoriaus tiesos:

• Įtampos santykis: Vp/Vs = Np/Ns, kur Vp ir Vs — pirminė ir antrinė įtampa, Np ir Ns — vijų skaičius ritėse.
• Srovės santykis: Ip/Is = Ns/Np.
• Galia praktiškai išlieka: Pp ≈ Ps (atskaitant nuostolius).

Svarbu: transformatoriai veikia tik kintamąja srove (AC). Nuolatinė srovė (DC) nesukurs kintančio magnetinio lauko, todėl transformatorius neveiks su DC.

Pagrindiniai transformatorių tipai ir jų panaudojimas

• Skirstomieji (distribution) transformatoriai – naudojami žemesnės įtampos tiekimui namams ir verslui (pvz., iš aukštesnės tinklo įtampos į 220–240 V arba 120 V). Dažnai montuojami ant stulpų arba transformatorinėse.
• Galingieji arba maitinimo (power) transformatoriai – naudojami elektros perdavimo tinkluose tarp aukštos įtampos grandinių (pvz., transformuojant tarpusavyje 110 kV, 220 kV ir pan.). Tai didelės galios įrenginiai su specialiu aušinimu ir reguliavimo mechanizmais.
• Autotransformatoriai – turi bendrą ritę, dalis vijų naudojama abiejose pusėse. Jie kompaktiškesni ir pigesni, tačiau nedidina izoliacijos tarp grandinių (t.y. nėra galvaninės izoliacijos).
• Matuojamieji transformatoriai – tai srovės transformatoriai (CT) ir potencialo/įtampos transformatoriai (PT). Naudojami matavimams ir apsaugai, kad įtampa ar srovė būtų saugiai matuojama matavimo prietaisais.
• Izoliaciniai transformatoriai – naudojami elektros grandinių izoliacijai nuo tinklo; jie suteikia galvaninę izoliaciją ir gali sumažinti trikdžius bei padidinti saugumą.
• Traukos (furnace) ir pramoniniai transformatoriai – skirti specialioms apkrovoms, pvz., elektrinėms krosnims, su didelėmis srovėmis ir specifine konstrukcija.
• Garso (audio) transformatoriai – naudojami garso įrangai ar imtuvams, kad suderintų varžos ir sumažintų trikdžius.
• Tinklinių (autotransformatorių) ir impulsinių transformatorių – impulsiniai transformatoriai naudojami maitinimo šaltiniuose su impulsine konversija (SMPS), jie būna mažesni ir veikia aukštesnėmis dažnių reikšmėmis.

Konstrukciniai elementai

Tipiškai transformatorius turi:

• Šerdį – iš plonų silicio plieno plokštelių arba magnetinių medžiagų, kad sumažintų histerezės ir sukimosi nuostolius.
• Rites – varinės arba aliumininės laidų vijų su izoliacija; ritės gali būti kelių posūkių, priklausomai nuo įtampos ir paskirties.
• Izoliaciją – impregnacija, aliejus arba kietoji izoliacija (džiovinti transformatoriai), būtina užtikrinti elektrinį saugumą ir šilumos perdavimą.
• Aušinimo sistemą – natūralus oro aušinimas, aliejinis aušinimas, ventiliatoriai (ONAN, ONAF, OFAF ir kt.).
• Perjungimo elementus (taps) – reguliuoja išėjimo įtampą esant tinklo svyravimams.

Nuostoliai ir efektyvumas

Transformatoriuose yra keli nuostolių tipai:

• Magnetiniai nuostoliai (histerezė ir virpėjimas šerdyje).
• Eddy (sūkurinių srovių) nuostoliai šerdies plokštelėse.
• Jėgos nuostoliai – šiluminiai nuostoliai ritėse dėl jų varžos (I²R).
• Nuostoliai dėl išorinės sklaidos ir vėjazančių srovių.

Saugumas ir eksploatavimas

Keletas praktinių pastebėjimų:

• Transformatoriai negali būti prijungti prie DC – tai gali sukelti persilaužimą ar perkaitimą.
• Perkaitimas – būtina užtikrinti tinkamą aušinimą ir neviršyti leistinų apkrovų.
• Izoliacijos būklės kontrolė – aliejaus ir izoliacijos testai, ypač aliejiniams transformatoriams; reguliari apžiūra ir priežiūra prailgina tarnavimo laiką.
• Apsauga – įrengiami aušinimo, apsaugos nuo perkrovų ir trumpųjų jungimų, žaibo apsauga ir įžeminimas.

Panaudojimas kasdienybėje ir pramonėje

Transformatoriai randami beveik visur: nuo didelių jėgainių ir perdavimo linijų iki namų buitinės technikos ir elektronikos. Tipiniai panaudojimo pavyzdžiai:

• Elektros energijos perdavimas ir paskirstymas (aukštos įtampos stotys, skirstomieji tinklai).
• Įtampų sumažinimas namų ir verslo tinklams.
• Įtampos ir srovės matavimas bei apsauga pramoninėse instaliacijose.
• Garso įrangos izoliacija ir impedansų suderinimas.
• Specializuoti pramonės procesai (pvz., lydymo krosnys, elektrolizė).

Tendencijos ir naujovės

Pastaraisiais metais atsiranda pažangių sprendimų, pvz., kietojo kūno (solid-state) arba hibridiniai transformatoriai, kuriuose panaudojami elektroniniai keitikliai ir valdikliai, siekiant mažesnių nuostolių, geresnės reguliacijos ir veikimo elektroenergetikos tinkluose su atsinaujinančiais šaltiniais.

Apibendrinant: transformatorius yra būtinas įrenginys kintamosios srovės sistemose, leidžiantis patikimai bei efektyviai keisti įtampą ir perduoti energiją tarp skirtingų tinklo dalių. Tinkamas pasirinkimas, eksploatavimas ir priežiūra užtikrina saugų ir ilgaamžį veikimą.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra transformatorius?

K: Kokia yra pagrindinė transformatoriaus naudojimo priežastis?

K: Kaip transformatoriai perduoda energiją?

K: Kur transformatoriai naudojami elektros tinkluose?

K: Kaip transformatorius reguliuoja įtampos lygį namuose ir įmonėse?

Klausimas: Ar transformatoriai gali padidinti galią?

K: Kokie yra pagrindiniai transformatorių tipai?

Paieška pagal raidę