Transformators — kas tas ir: definīcija, darbības princips un pielietojumi

Transformators ir ierīce, kas elektrisko enerģiju no vienas elektriskās ķēdes uz citu elektrisko ķēdi pārnes, izmantojot savstarpēju (elektromagnētisko indukciju) un nemainot frekvenci. Transformatori ir svarīga elektrosistēmu daļa.

Transformatori tiek izgatavoti dažādos izmēros, sākot no ļoti maza savienojuma transformatora skatuves mikrofonā līdz lieliem transformatoriem, kas nodrošina simtiem MVA un ko izmanto elektrotīklos.

Galvenais transformatora izmantošanas iemesls ir pārveidot viena sprieguma līmeņa jaudu par cita sprieguma līmeņa jaudu. Augstspriegumu ir vieglāk nosūtīt lielā attālumā, bet zemāku spriegumu ir vieglāk un drošāk izmantot birojā vai mājās. Transformatorus izmanto, lai ķēdēs palielinātu vai samazinātu maiņstrāvas (AC) spriegumu. Transformators parasti ir veidots no divām spolēm ap vienu serdi. Primārā spole jeb ieejas spole ir savienota ar barošanas pusi, bet sekundārā spole piegādā strāvu slodzei. Otrā spole tiek saukta par izejas spoli. Enerģija no primārās uz sekundāro tiek pārnesta ar elektromagnētisma palīdzību. Elektrotīklos izmanto daudz transformatoru. Tie ir tīkli elektroenerģijas piegādei no ģeneratora līdz lietotājam.

Transformatori, kas atrodas jūsu apkaimē uz elektrības stabiem vai ir savienoti ar pazemes vadiem, parasti pārveido augstspriegumu 7200 voltu spriegumu uz 220-240 voltu elektrību, lai darbinātu apgaismojumu un ierīces, piemēram, ledusskapjus mājās un uzņēmumos. Dažās valstīs, piemēram, Amerikā, mājās izmanto citu spriegumu, piemēram, 120 voltu. Transformatori nevar palielināt jaudu, tāpēc, paaugstinot spriegumu, proporcionāli tiek samazināta strāva. Ja spriegums tiek pazemināts, strāva proporcionāli palielinās.

Elektronikas iekārtu iekšpusē esošie transformatori nodrošina dažādām detaļām nepieciešamo elektrības veidu.

Ir vairāki transformatoru pamattipi:

• Sprieguma transformatori: pazemina vai paaugstina maiņstrāvas spriegumu (piemēram, tīkla transformatori — step-up un step-down).
• Autotransformatori: vienas tinuma ierīce, kur daļa tinuma darbojas kā kopīgs primārais un sekundārais rāmis; bieži mazākiem sprieguma korekcijas darbiem.
• Instrumentu transformatori: strāvas transformatori (CT) un sprieguma (potenciāla) transformatori (PT) izmantošanas mērījumiem un aizsardzības ierīcēm.
• Izolācijas transformatori: nodrošina galvanisku atdalīšanu starp ieeju un izeju drošības un traucējumu samazināšanas nolūkos.
• Impulsu un barošanas transformatori: lieto elektroniskajās barošanas ierīcēs (SMPS), invertoros, modulatoros.
• Audio transformatori: paredzēti frekvenču diapazonam un precīzai impedances pielāgošanai audio iekārtās.

Kā transformators strādā (darbības princips)

Transformators darbojas, pamatojoties uz Faradeja likumu par elektromagnētisko indukciju. Kad maiņstrāva plūst caur primāro tinumu, ap to veidojas mainīgs magnētiskais lauks. Šis mainīgais lauks caur serdi vai gaisu inducē spriegumu sekundārajā tinumā. Galvenie attiecības izteikumi ideālam transformatoram ir:

• Sprieguma attiecība: V1 / V2 = N1 / N2, kur V1 un V2 ir primārā un sekundārā sprieguma RMS vērtības, bet N1 un N2 — tinumu vārdu skaits.
• Strāvas attiecība: I1 / I2 = N2 / N1 (ideālā gadījumā), kas nozīmē, ka paaugstinot spriegumu, samazinās strāva, un otrādi.
• Jaudas saglabāšana: P1 ≈ P2 (ideālā transformatore), kur P = V × I; reālās ierīcēs daļa enerģijas tiek zaudēta siltumā un magnētiskajos zudumos.
• Impedances projicēšana: Z' = (N1/N2)^2 × Z, ļauj transformatoram "redzēt" slodzi primārajā ķēdē kā pārveidotu impedanci.

Uzbūve un materiāli

Parasti transformatoru uzbūvē no divām galvenajām daļām: serdes (magnētiskā shēma) un tinumiem (vadu spoles). Bieži sastopamie elementi un materiāli:

• Serde: izgatavota no slāņveida, izolētas elektriski loksnes dzelzs vai īpašiem magnētiskajiem materiāliem (silīcija tērauds, amorfais metāls) zudumu samazināšanai.
• Tinumi: vara vai alumīnija spoles, izolētas ar lakām, papīru vai citiem dielektriskiem materiāliem.
• Izolācija: starp tinumiem un serdi, kā arī starp dažādiem spoles slāņiem, lai novērstu elektriskos izlādes.
• Dzesēšana: transformatori var būt eļļā dzesēti (ar spēcīgu siltuma pārnesi un piesārņojuma aizsardzību) vai sausi (gaisa dzesēti) atkarībā no jaudas un pielietojuma.
• Apvalks un paneļi: nodrošina mehānisku aizsardzību, izolāciju, bukses un savienojumu punktus.

Zudumi un efektivitāte

Reālos transformatoros pastāv vairāki zudumu veidi:

• Serdes zudumi: histerēzes zudumi magnētiskajā materiālā un rušināšanas (eddy current) zudumi, kurus samazina, izmantojot laminētu serdi un īpašus metālus.
• Vadu (vara/alumīnija) zudumi: ohmiskie zudumi I^2R tinumos.
• Zudumi, kas saistīti ar noplūdes lauku: radiācijas un parasītie lauki, kas rada sildīšanos apkārtējās struktūrās.
• Vairākas sekundārās fāzes/uzturēšana: kontakta un tīkla sadales zudumi.

Augstas kvalitātes transformatori var sasniegt ļoti augstu efektivitāti (95–99+% lieljaudas līmeņos), taču mazākiem frekvenču pārvēršanas transformatoriem (piem., audio, impulsu) efektivitāte var būt zemāka atkarībā no konstrukcijas un slodzes.

Pielietojumi

Transformatoriem ir plašs pielietojumu spektrs:

• Enerģijas pārvade un sadale: step-up transformatori elektrostacijās paaugstina spriegumu pārvades līniju efektīvai attālinātai piegādei; sadales transformatori pazemina spriegumu līdz patērētāja līmenim.
• Rūpniecība: loka metināšana, motora palaišana, transformatori īpašām rūpnieciskām ierīcēm.
• Elektronika un barošanas bloki: izolācijas, impulsu transformatori SMPS iekšienē, zemsprieguma barošanas avoti.
• Mērīšana un aizsardzība: strāvas un sprieguma transformatori nodrošina drošu mērīšanu un aizsardzības releju darbību augstsprieguma tīklos.
• Audio tehnika: impedance matching un signāla izolācija signālu ķēdēs.
• Specializētas iekārtas: medicīnas ierīces, laboratorijas, ražošanas iekārtas un testēšanas stendi.

Darba parametri un ekspluatācija

Lai nodrošinātu pareizu darbību, jāņem vērā vairāki parametri:

• Vārdu skaita attiecība (N1:N2): nosaka sprieguma attiecību.
• Nominalā jauda (VA, kVA, MVA): maksimālā jauda, ko transformators var nepārtraukti piegādāt.
• Frekvence: transformatorus projektē konkrētai frekvencei (piem., 50 Hz vai 60 Hz); darbība pie citām frekvencēm ietekmē magnētiskos zudumus un piesātinājumu.
• Tap changer (sprieguma regulatora) izmanto, lai mainītu sekundārā vai primārā sprieguma daļas (on-load vai off-load).
• Polaritāte un fāzu grupa: svarīga sinhronizācijai un pareizam transformatora savienojumam trīsfāzu tīklos.

Drošība un apkope

Transformatoru drošība un ilgmūžība prasa regulāru apkopi un uzmanību:

• Regulāra eļļas kvalitātes pārbaude eļļas dzesētām ierīcēm (ūdens saturs, dielektriskā izturība).
• Temperatūras monitorings un dzesēšanas sistēmu pārbaude.
• Izolācijas stāvokļa testi un spoles pasākumi, lai novērstu skrūvju, tapas un bukses bojājumus.
• Pareiza zemēšana un aizsardzība pret pārspriegumiem (pārlādēm, zibeniem).
• Periodiska vizuāla pārbaude, lai konstatētu koroziju, noplūdes vai mehāniskus bojājumus.

Apkopojot — transformatori ir būtisks elements elektrības ražošanas, pārvades, sadales un izmantošanas ķēdēs. Saprotot to darbības principu, uzbūvi, zudumu avotus un drošības prasības, var pareizi izvēlēties un uzturēt transformatorus dažādiem pielietojumiem, no maziem audio signālu transformatoriem līdz lieliem augstsprieguma sadales transformatoriem.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir transformators?

J: Kāds ir galvenais transformatora izmantošanas iemesls?

J: Kā transformatori nodod enerģiju?

J: Kur elektrotīklos izmanto transformatorus?

J: Kā transformators pielāgo sprieguma līmeni mājsaimniecībām un uzņēmumiem?

J: Vai transformatori var palielināt jaudu?

J: Kādi ir daži galvenie transformatoru veidi?

Meklēt pēc burta