Różne typy transformatorów i ich zastosowania

Transformator jest szeroko stosowanym urządzeniem w dziedzinie elektrotechniki i elektroniki. Jest to urządzenie elektromagnetyczne, które działa zgodnie z podstawową zasadą elektromagnetyzmu odkrytą przez Michaela Faradaya. Omówiliśmy szczegółowo budowę i działanie transformatorów w poprzednim samouczku. Tutaj omówimy różne typy transformatorów używanych w różnych typach zastosowań. Jednak wszystkie typy transformatorów kierują się tymi samymi zasadami, ale mają inną metodę konstrukcji. Przy odrobinie wysiłku można również zbudować własny transformator, ale przy budowie transformatora należy zawsze przestrzegać technik ochrony transformatora.

Typy transformatorów oparte na poziomie napięcia

Transformator może mieć wiele typów konstrukcji. Transformator nie ma żadnego połączenia elektrycznego z jednej strony na drugą; nadal jednak dwie elektrycznie niezależne cewki mogą przewodzić prąd za pomocą strumienia elektromagnetycznego. Transformator może mieć wiele cewek lub uzwojeń zarówno po stronie pierwotnej, jak i wtórnej. W kilku przypadkach wiele stron pierwotnych, w których dwie cewki są połączone szeregowo, często nazywane są centralnie zaczepionymi. Ten centralny stan gwintowania można również zobaczyć po stronie wtórnej.

Transformatory mogą być skonstruowane w taki sposób, że mogą przekształcić poziom napięcia strony pierwotnej na wtórną. W zależności od poziomu napięcia transformator ma trzy kategorie. Step Down, Step Up i Transformator separacyjny. W przypadku transformatora izolacyjnego poziom napięcia jest taki sam po obu stronach.

1. Transformator obniżający napięcie

Transformator obniżający jest używany zarówno w dziedzinie elektroniki, jak i elektryki. Transformator obniżający napięcie przekształca poziom napięcia pierwotnego na niższe napięcie na wyjściu wtórnym. Osiąga się to poprzez stosunek uzwojeń pierwotnych i wtórnych. W przypadku transformatorów obniżających liczbę zwojów po stronie pierwotnej jest większa niż po stronie wtórnej. Dlatego całkowity współczynnik uzwojenia pierwotnego i wtórnego zawsze pozostaje większy niż 1.

W elektronice wiele aplikacji działa przy napięciu 5 V, 6 V, 9 V, 12 V, 24 V lub w niektórych przypadkach 48 V. Aby przekształcić jednofazowe napięcie sieciowe 230 V AC na żądany poziom niskiego napięcia, wymagane są transformatory obniżające napięcie. W oprzyrządowaniu, jak również w wielu typach urządzeń elektrycznych, transformator obniżający napięcie jest podstawowym wymaganiem dla sekcji mocy. Są również stosowane w zasilaczach i obwodach ładowarek do telefonów komórkowych.

W elektroenergetyce transformatory obniżające napięcie są stosowane w systemie dystrybucji energii elektrycznej, który pracuje na bardzo wysokim napięciu, aby zapewnić niskie straty i opłacalne rozwiązanie dla wymagań dotyczących dostarczania energii na duże odległości. Aby przekształcić wysokie napięcie w linię zasilającą niskiego napięcia, stosuje się transformator obniżający napięcie.

2. Transformator podwyższający

Transformator podwyższający jest dokładnie odwrotny od transformatora obniżającego. Transformator podwyższający zwiększa niskie napięcie pierwotne do wysokiego napięcia wtórnego. Ponownie osiąga się to przez stosunek stosunku uzwojenia pierwotnego i wtórnego. W przypadku transformatora podwyższającego stosunek uzwojenia pierwotnego do uzwojenia wtórnego pozostaje mniejszy niż 1. Oznacza to, że liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym jest większa niż w uzwojeniu pierwotnym.

W elektronice transformatory podwyższające często stosowane w stabilizatorach, falownikach itp., Gdzie niskie napięcie jest przekształcane na znacznie wyższe napięcie.

Transformator podwyższający jest również używany w dystrybucji energii elektrycznej. Wysokie napięcie jest wymagane do zastosowań związanych z dystrybucją mocy. Transformator podwyższający jest używany w sieci do podwyższenia poziomu napięcia przed dystrybucją.

3. Transformator separacyjny

Transformator separacyjny nie przekształca żadnych poziomów napięcia. Napięcie pierwotne i wtórne transformatora izolującego zawsze pozostają takie same. Dzieje się tak, ponieważ stosunek uzwojenia pierwotnego i wtórnego jest zawsze równy 1. Oznacza to, że liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym jest taka sama w transformatorze izolacyjnym.

Transformator izolujący służy do izolowania pierwotnego i wtórnego. Jak wspomniano wcześniej, transformator nie ma żadnych połączeń elektrycznych między pierwotnym a wtórnym, służy również jako bariera izolacyjna, w której przewodzenie odbywa się tylko ze strumieniem magnetycznym. Jest używany ze względów bezpieczeństwa i do eliminacji przenoszenia hałasu z pierwotnego do wtórnego lub odwrotnie.

Typy transformatorów oparte na materiale rdzenia

Transformator przekazuje energię, przewodząc strumień elektromagnetyczny przez materiał rdzenia. Różne materiały rdzenia dają różną gęstość strumienia. W zależności od materiału rdzenia, w dziedzinie mocy i elektroniki stosuje się kilka typów transformatorów.

1. Transformator z rdzeniem żelaznym

Transformator z rdzeniem żelaznym wykorzystuje wiele płyt z miękkiego żelaza jako materiału rdzenia. Ze względu na doskonałe właściwości magnetyczne żelaza, wiązanie strumienia transformatora z rdzeniem żelaznym jest bardzo wysokie. Zatem wydajność transformatora z rdzeniem żelaznym jest również wysoka.

Płyty rdzeniowe z miękkiego żelaza mogą być dostępne w wielu kształtach i rozmiarach. Cewki uzwojenia pierwotnego i wtórnego lub owinięte na karkasie. Następnie cewkę montuje się w płytach rdzeniowych z miękkiego żelaza. W zależności od rozmiaru i kształtu rdzenia na rynku dostępny jest inny typ blach rdzeniowych. Niewiele typowych kształtów to E, I, U, L itd. Żelazne płytki są cienkie, a wiele płyt jest połączonych razem, aby utworzyć rzeczywisty rdzeń. Na przykład rdzenie typu E są wykonane z cienkich płyt o wyglądzie litery E.

Transformatory z rdzeniem żelaznym są szeroko stosowane i zwykle cięższe pod względem masy i kształtu.

2. Transformator z rdzeniem ferrytowym

Transformator z rdzeniem ferrytowym wykorzystuje rdzeń ferrytowy ze względu na wysoką przenikalność magnetyczną. Ten typ transformatora zapewnia bardzo niskie straty w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości. Z tego powodu transformatory z rdzeniem ferrytowym są stosowane w aplikacjach o wysokiej częstotliwości, takich jak zasilacze impulsowe (SMPS), aplikacje związane z częstotliwością radiową itp.

Transformatory z rdzeniem ferrytowym oferują również różne typy kształtów, rozmiary w zależności od wymagań aplikacji. Jest stosowany głównie w elektronice, a nie w zastosowaniach elektrycznych. Najpopularniejszym kształtem transformatora z rdzeniem ferrytowym jest rdzeń E.

3. Transformator z rdzeniem toroidalnym

Transformator z rdzeniem toroidalnym wykorzystuje materiał rdzenia w kształcie toroidu, taki jak rdzeń żelazny lub rdzeń ferrytowy. Toroidy są materiałem rdzenia w kształcie pierścienia lub pączka i są szeroko stosowane w celu uzyskania doskonałych parametrów elektrycznych. Ze względu na kształt pierścienia indukcyjność rozproszenia jest bardzo niska i zapewnia bardzo wysoką indukcyjność i współczynniki Q. Uzwojenia są stosunkowo krótkie, a waga znacznie mniejsza niż w przypadku tradycyjnych transformatorów o tej samej wartości znamionowej.

4. Transformator z rdzeniem powietrznym

Transformator Air Core nie wykorzystuje fizycznego rdzenia magnetycznego jako materiału rdzenia. Połączenie strumienia transformatora z rdzeniem powietrznym jest w całości wykonane przy użyciu powietrza.

W transformatorze z rdzeniem powietrznym cewka pierwotna jest zasilana prądem przemiennym, który wytwarza wokół siebie pole elektromagnetyczne. Gdy cewka wtórna jest umieszczona w polu magnetycznym, zgodnie z prawem indukcji Faradaya, cewka wtórna jest indukowana polem magnetycznym, które jest następnie wykorzystywane do zasilania obciążenia.

Jednak transformator z rdzeniem powietrznym wytwarza niską wzajemną indukcyjność w porównaniu z fizycznym materiałem rdzenia, takim jak rdzeń żelazny lub ferrytowy.

Jest używany w przenośnej elektronice, a także w aplikacjach związanych z częstotliwościami radiowymi. Ze względu na brak fizycznego materiału rdzenia jest bardzo lekki pod względem wagi. Odpowiednio dostrojony transformator z rdzeniem powietrznym stosowany również w rozwiązaniach ładowania bezprzewodowego, w których uzwojenia pierwotne są zbudowane wewnątrz ładowarki, a uzwojenia wtórne znajdują się wewnątrz docelowego urządzenia.

Typy transformatorów oparte na układzie uzwojeń

Transformator można sklasyfikować na podstawie kolejności uzwojeń. Jednym z popularnych typów są transformatory z automatycznym uzwojeniem.

Transformator z automatycznym uzwojeniem

Do tej pory uzwojenie pierwotne i wtórne są zamocowane, ale w przypadku transformatora z automatycznym uzwojeniem cewka pierwotna i wtórna mogą być połączone szeregowo, a środkowy zaczepiony węzeł jest ruchomy. W zależności od środkowego położenia zaczepu, napięcie wtórne może się zmieniać.

Auto nie jest krótką formą automatycznego; raczej jest to powiadomienie o sobie lub pojedynczej cewce. Ta cewka tworzy stosunek, który składa się z dwóch części, pierwotnej i wtórnej. Położenie środkowego węzła zaczepu określa stosunek pierwotny i wtórny, zmieniając w ten sposób napięcie wyjściowe.

Najpopularniejszym zastosowaniem jest V ARIAC, przyrząd do wytwarzania zmiennego prądu przemiennego ze stałego wejścia prądu przemiennego. Jest również używany w zastosowaniach związanych z przesyłaniem i dystrybucją energii, w których konieczne jest częste zmiany linii wysokiego napięcia.

Rodzaje transformatorów na podstawie użycia

Dostępnych jest również kilka typów transformatorów, które działają w określonej dziedzinie. Zarówno w sektorze elektronicznym, jak i elektrycznym, kilka dedykowanych transformatorów jest używanych jako transformator obniżający lub podwyższający w zależności od zastosowania. Tak więc transformatory można sklasyfikować jak poniżej na podstawie zastosowania:

1. Domena władzy

• Transformator
• Transformator pomiarowy
• Transformator dystrybucyjny

2. Domena elektroniki

• Transformator impulsowy
• Transformator wyjściowy audio

1. Transformatory używane w domenie Power

W dziedzinie energii elektrycznej dziedzina mocy zajmuje się wytwarzaniem, pomiarem i dystrybucją energii. Jest to jednak bardzo duża dziedzina, w której transformatory są istotną częścią umożliwiającą bezpieczną konwersję mocy i udane dostarczenie energii do podstacji i użytkowników końcowych.

Transformatory stosowane w dziedzinie mocy mogą być zarówno zewnętrzne, jak i wewnętrzne, ale głównie na zewnątrz.

(a) Transformator mocy

Transformatory mocy są większe i służą do przesyłania energii do podstacji lub publicznego źródła energii elektrycznej. Transformator ten działa jako pomost między generatorem prądu a pierwotną siecią dystrybucyjną. W zależności od mocy znamionowej i specyfikacji, transformatory mocy można dalej podzielić na trzy kategorie: mały transformator mocy, transformatory średniej mocy i duże transformatory mocy. Wartość znamionowa może wynosić więcej niż 30 kVA do 500-700 kVA lub w niektórych przypadkach może być równa lub większa niż 7000 kVA dla transformatora o małej mocy znamionowej. Transformator o średniej mocy znamionowej może mieć do 50-100 MVA, podczas gdy transformatory o dużej mocy znamionowej są w stanie obsłużyć ponad 100 MVA.

Ze względu na bardzo dużą generację mocy, konstrukcja transformatora mocy jest również krytyczna. Konstrukcja zawiera solidne izolujące peryferia i dobrze wyważony system chłodzenia. Najczęściej transformatory mocy są wypełnione olejami.

Główną zasadą działania transformatora mocy jest przekształcenie wysokiego prądu niskiego napięcia w niski prąd wysokiego napięcia. Jest to wymagane, aby zminimalizować straty mocy w systemie dystrybucji energii.

Kolejnym ważnym parametrem dla transformatora mocy jest dostępność faz. Zazwyczaj transformatory mocy pracują w systemie trójfazowym, ale w niektórych przypadkach stosowane są również jednofazowe małe transformatory mocy. Trójfazowe transformatory mocy są najbardziej kosztowne i wydajne niż jednofazowe transformatory mocy.

(b) Transformator pomiarowy

Transformator pomiarowy jest często nazywany przekładnikiem pomiarowym. To kolejny powszechnie używany instrument pomiarowy w dziedzinie mocy. Transformator pomiarowy służy do izolowania zasilania głównego i przetwarzania prądu i napięcia w mniejszym stosunku na jego wyjście wtórne. Mierząc moc wyjściową, można zmierzyć fazę, prąd i napięcie rzeczywistej linii zasilającej.

Powyższe zdjęcie przedstawia budowę przekładnika prądowego.

(c) Transformator dystrybucyjny

Jest to wykorzystywane w ostatniej fazie systemu dystrybucji energii. Transformatory rozdzielcze to transformatory obniżające napięcie, które konwertują wysokie napięcie sieciowe na napięcie wymagane przez klienta końcowego, 110 V lub 230 V. Może być również jednofazowy lub trójfazowy.

Transformatory rozdzielcze mogą mieć mniejszy lub większy kształt, w zależności od mocy konwersji lub wartości znamionowych.

Transformatory rozdzielcze można dalej podzielić na kategorie w zależności od rodzaju stosowanej izolacji. Może być suchy lub zanurzony w cieczy. Wykonany jest z laminowanych płyt stalowych, w większości wykonanych w kształcie litery C jako materiału rdzenia.

Transformator rozdzielczy ma również inny typ klasyfikacji w zależności od lokalizacji, w której jest używany. Transformator można zamontować na słupie energetycznym, jeśli tak, nazywa się to transformatorem rozdzielczym montowanym na słupie. Może być umieszczony wewnątrz podziemnej komory, zamontowany na podkładce betonowej (transformator rozdzielczy montowany na podkładce) lub w zamkniętej skrzynce stalowej.

Generalnie transformatory rozdzielcze mają moc mniejszą niż 200 kVA.

2. Transformator używany w dziedzinie elektroniki

W elektronice stosuje się różne małe miniaturowe transformatory, które można zamontować na płytce drukowanej lub zamocować wewnątrz małej obudowy produktu.

(a) Transformator impulsowy

Transformatory impulsowe to jedne z najczęściej stosowanych transformatorów montowanych na PCB, które wytwarzają impulsy elektryczne o stałej amplitudzie. Jest używany w różnych obwodach cyfrowych, w których wymagane jest generowanie impulsów w izolowanym środowisku. Dlatego transformatory impulsowe izolują pierwotne i wtórne impulsy i rozprowadzają pierwotne impulsy do obwodu wtórnego, często cyfrowych bramek logicznych lub sterowników.

Prawidłowo skonstruowane transformatory impulsowe powinny wymagać odpowiedniej izolacji galwanicznej, a także niewielkich upływów i pojemności rozproszonej.

(b) Transformator wyjścia audio

Audio Transformer to kolejny powszechnie używany transformator w dziedzinie elektroniki. Jest specjalnie używany w aplikacjach związanych z audio, w których wymagane jest dopasowanie impedancji. Transformator audio równoważy obwód wzmacniacza i obciążenia, zwykle głośnik. Transformator audio może mieć wiele cewek pierwotnych i wtórnych, oddzielonych lub z odczepem środkowym.

Więc omówiliśmy różne rodzaje transformatorów, poza tym, że istnieją inne transformatory specjalnego przeznaczenia, ale są one poza zakresem tego artykułu.