Διαφορετικοί τύποι μετασχηματιστών και οι εφαρμογές τους

Ένας μετασχηματιστής είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη συσκευή στον τομέα των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών. Είναι μια ηλεκτρομαγνητική συσκευή που ακολουθεί τη βασική αρχή του ηλεκτρομαγνητισμού που ανακαλύφθηκε από τον Michael Faraday. Έχουμε καλύψει λεπτομερώς την κατασκευή και τη λειτουργία Transformers στο προηγούμενο σεμινάριο. Εδώ θα καλύψουμε διαφορετικούς τύπους μετασχηματιστών που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικούς τύπους εφαρμογών. Ωστόσο, όλοι οι τύποι μετασχηματιστών ακολουθούν τις ίδιες αρχές αλλά έχουν διαφορετική μέθοδο κατασκευής. Και με λίγη προσπάθεια μπορείτε επίσης να δημιουργήσετε τον δικό σας μετασχηματιστή, αλλά κατά την κατασκευή του μετασχηματιστή πρέπει πάντα να ακολουθείτε τεχνικές προστασίας μετασχηματιστή.

Τύποι μετασχηματιστών με βάση το επίπεδο τάσης

Ένας μετασχηματιστής μπορεί να έχει πολλούς τύπους κατασκευής. Ο μετασχηματιστής δεν έχει ηλεκτρική σύνδεση από τη μία πλευρά στην άλλη. Ακόμα, τα δύο ηλεκτρικά ανεξάρτητα πηνία μπορούν να αγωγούν την ηλεκτρική ενέργεια με ηλεκτρομαγνητική ροή. Ένας μετασχηματιστής μπορεί να έχει πολλαπλά πηνία ή περιελίξεις στην κύρια πλευρά καθώς και στη δευτερεύουσα πλευρά. Σε πολλές περιπτώσεις, πολλαπλές πρωτεύουσες πλευρές, όπου δύο πηνία συνδέονται σε σειρά, συχνά ονομάζονται κεντρικά κτυπημένα. Αυτή η κεντρική κατάσταση μπορεί επίσης να φανεί στη δευτερεύουσα πλευρά.

Οι μετασχηματιστές μπορούν να κατασκευαστούν με τρόπο που να μετατρέπει το επίπεδο τάσης της πρωτεύουσας πλευράς στη δευτερεύουσα πλευρά. Ανάλογα με το επίπεδο τάσης, ο μετασχηματιστής έχει τρεις κατηγορίες. Step Down, Step Up και Isolation Transformer. Για τον μετασχηματιστή απομόνωσης, το επίπεδο τάσης είναι το ίδιο και για τις δύο πλευρές.

1. Μετασχηματιστής Step-Down

Το Step down Transformer χρησιμοποιείται τόσο στην Ηλεκτρονική όσο και στην Ηλεκτρική. Ένας μετασχηματιστής βήμα προς τα κάτω μετατρέπει το επίπεδο πρωτογενούς τάσης σε χαμηλότερη τάση στη δευτερεύουσα έξοδο. Αυτό επιτυγχάνεται με την αναλογία πρωτογενών και δευτερευόντων περιελίξεων. Για μετασχηματιστές προς τα κάτω ο αριθμός των περιελίξεων είναι υψηλότερος στην πρωτεύουσα πλευρά από τη δευτερεύουσα πλευρά. Επομένως, ο συνολικός λόγος περιέλιξης του πρωτογενούς και του δευτερεύοντος παραμένει πάντα περισσότερο από 1.

Στα ηλεκτρονικά, πολλές εφαρμογές εκτελούνται σε 5V, 6V, 9V, 12V, 24V ή σε ορισμένες περιπτώσεις 48V. Για τη μετατροπή της μονοφασικής τάσης εξόδου 230V AC στο επιθυμητό επίπεδο χαμηλής τάσης, απαιτούνται μετασχηματιστές Step Down. Στην οργάνωση καθώς και σε πολλούς ηλεκτρικούς τύπους εξοπλισμού, ο μετασχηματιστής Step-Down είναι η κύρια απαίτηση για το τμήμα Power Χρησιμοποιούνται επίσης σε τροφοδοτικά και κυκλώματα φορτιστή κινητού τηλεφώνου.

Σε ηλεκτρικούς, μετασχηματιστές κατεβάσματος χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικό σύστημα διανομής που λειτουργεί σε πολύ υψηλή τάση για να εξασφαλίσει χαμηλή απώλεια και οικονομικά αποδοτική λύση για απαιτήσεις παράδοσης ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. Για τη μετατροπή της υψηλής τάσης σε γραμμή τροφοδοσίας χαμηλής τάσης, χρησιμοποιείται μετασχηματιστής Step down.

2. Μετασχηματιστής Step-Up

Ο μετασχηματιστής Step Up βρίσκεται ακριβώς απέναντι από τον μετασχηματιστή step-down. Βελτιώστε τον μετασχηματιστή αυξήστε τη χαμηλή πρωτογενή τάση σε υψηλή δευτερεύουσα τάση. Και πάλι επιτυγχάνεται με την αναλογία πρωτογενούς και δευτερεύουσας αναλογίας περιέλιξης. Για τον μετασχηματιστή Step Up, η αναλογία της πρωτεύουσας περιέλιξης και της δευτερεύουσας περιέλιξης παραμένει μικρότερη από 1. Αυτό σημαίνει ότι ο αριθμός στροφών στη δευτερεύουσα περιέλιξη είναι υψηλότερος από τον πρωτεύοντα περιέλιξη.

Στα ηλεκτρονικά, μετασχηματιστές αύξησης που χρησιμοποιούνται συχνά σε σταθεροποιητές, μετατροπείς κ.λπ. όπου η χαμηλή τάση μετατρέπεται σε πολύ υψηλότερη τάση.

Ένας μετασχηματιστής step-up χρησιμοποιείται επίσης στη διανομή ηλεκτρικής ισχύος. Απαιτείται υψηλή τάση για εφαρμογή που σχετίζεται με τη διανομή ισχύος. Ο μετασχηματιστής Step up χρησιμοποιείται στο πλέγμα για να αυξήσει το επίπεδο τάσης πριν από την κατανομή.

3. Μετασχηματιστής απομόνωσης

Ο μετασχηματιστής απομόνωσης δεν μετατρέπει επίπεδα τάσης. Η πρωτογενής τάση και η δευτερεύουσα τάση ενός μετασχηματιστή απομόνωσης παραμένουν πάντα οι ίδιες. Αυτό συμβαίνει επειδή ο λόγος πρωτογενούς και δευτερεύουσας περιέλιξης είναι πάντα ίσος με το 1. Αυτό σημαίνει ότι ο αριθμός στροφών στην πρωτεύουσα και τη δευτερεύουσα περιέλιξη είναι ίδιος στον μετασχηματιστή απομόνωσης.

Ο μετασχηματιστής απομόνωσης χρησιμοποιείται για την απομόνωση του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος. Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, ο μετασχηματιστής δεν έχει ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ πρωτογενούς και δευτερεύοντος, χρησιμοποιείται επίσης ως φράγμα απομόνωσης όπου η αγωγή συμβαίνει μόνο με τη μαγνητική ροή. Χρησιμοποιείται για λόγους ασφαλείας και για την ακύρωση της μεταφοράς θορύβου από την πρωτοβάθμια στην δευτεροβάθμια ή το αντίστροφο.

Τύποι μετασχηματιστών με βάση υλικό πυρήνα

Ο μετασχηματιστής μεταφέρει την ενέργεια διεξάγοντας ηλεκτρομαγνητική ροή μέσω ενός υλικού πυρήνα. Διαφορετικά υλικά πυρήνα παράγουν διαφορετική πυκνότητα ροής. Ανάλογα με τα βασικά υλικά, χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι μετασχηματιστών στον τομέα ισχύος και ηλεκτρονικών.

1. Μετασχηματιστής πυρήνα σιδήρου

Ο μετασχηματιστής σιδήρου χρησιμοποιεί πολλαπλές πλάκες μαλακού σιδήρου ως υλικό πυρήνα. Λόγω των εξαιρετικών μαγνητικών ιδιοτήτων του σιδήρου, η σύνδεση ροής του μετασχηματιστή πυρήνα σιδήρου είναι πολύ υψηλή. Έτσι, η απόδοση του μετασχηματιστή σιδήρου είναι επίσης υψηλή.

Οι πλάκες από μαλακό σίδερο μπορούν να διατίθενται σε πολλά σχήματα και μεγέθη. Τα πηνία του πρωτογενούς και δευτερεύοντος τραύματος ή τυλιγμένα σε ένα πηνίο. Μετά από αυτό, το πηνίο τοποθετείται σε μαλακό σίδερο πυρήνες πλάκες. Ανάλογα με το μέγεθος και τα σχήματα του πυρήνα, διατίθεται ένας διαφορετικός τύπος πλακών πυρήνα στην αγορά. Λίγα κοινά σχήματα είναι E, I, U, L, κ.λπ. Οι σιδερένιες πλάκες είναι λεπτές και πολλές πλάκες ενώνονται μαζί για να σχηματίσουν τον πραγματικό πυρήνα. Για παράδειγμα, οι πυρήνες τύπου Ε κατασκευάζονται με λεπτές πλάκες με εμφάνιση του γράμματος Ε.

Οι μετασχηματιστές σιδήρου πυρήνα χρησιμοποιούνται ευρέως και συνήθως βαρύτεροι σε βάρος και σχήμα.

2. Μετασχηματιστής πυρήνων φερρίτη

Ένας μετασχηματιστής φερρίτη χρησιμοποιεί πυρήνα φερρίτη λόγω υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας. Αυτός ο τύπος μετασχηματιστή προσφέρει πολύ χαμηλές απώλειες στην εφαρμογή υψηλής συχνότητας. Εξαιτίας αυτού, οι μετασχηματιστές πυρήνα φερρίτη χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας, όπως σε τροφοδοσία εναλλαγής (SMPS), εφαρμογές που σχετίζονται με RF κ.λπ.

Οι μετασχηματιστές πυρήνα Ferrite προσφέρουν επίσης έναν διαφορετικό τύπο σχημάτων, μεγεθών ανάλογα με την απαίτηση εφαρμογής. Χρησιμοποιείται κυρίως στην ηλεκτρονική παρά στην ηλεκτρική εφαρμογή. Το πιο κοινό σχήμα στον μετασχηματιστή πυρήνα φερρίτη είναι ο πυρήνας Ε.

3. Μετασχηματιστής Toroidal Core

Ο μετασχηματιστής Toroidal core χρησιμοποιεί υλικό πυρήνα σε σχήμα toroid, όπως πυρήνα σιδήρου ή πυρήνα φερρίτη. Τα τοροειδή είναι υλικό πυρήνα με σχήμα δακτυλίου ή ντόνατ και χρησιμοποιούνται ευρέως για ανώτερη ηλεκτρική απόδοση. Λόγω του σχήματος δακτυλίου, η αυτεπαγωγή διαρροής είναι πολύ χαμηλή και προσφέρει πολύ υψηλούς παράγοντες επαγωγής και Q. Οι περιελίξεις είναι σχετικά μικρές και το βάρος είναι πολύ μικρότερο από τους παραδοσιακούς, ίδιους μετασχηματιστές βαθμολογίας.

4. Μετασχηματιστής πυρήνα αέρα

Ο μετασχηματιστής Air Core δεν χρησιμοποιεί φυσικό μαγνητικό πυρήνα ως υλικό πυρήνα. Η σύνδεση ροής του μετασχηματιστή αέρα-πυρήνα γίνεται εξ ολοκλήρου χρησιμοποιώντας τον αέρα.

Στον μετασχηματιστή πυρήνα αέρα, το πρωτεύον πηνίο τροφοδοτείται με εναλλασσόμενο ρεύμα που παράγει ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γύρω από αυτό. Όταν ένα δευτερεύον πηνίο τοποθετείται μέσα στο μαγνητικό πεδίο, σύμφωνα με τον νόμο επαγωγής Faraday, το δευτερεύον πηνίο προκαλείται με ένα μαγνητικό πεδίο το οποίο περαιτέρω χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του φορτίου.

Ωστόσο, ο μετασχηματιστής πυρήνα αέρα παράγει χαμηλή αμοιβαία επαγωγή σε σύγκριση με υλικό φυσικού πυρήνα όπως πυρήνα σιδήρου ή φερρίτη.

Χρησιμοποιείται σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές καθώς και σε εφαρμογές που σχετίζονται με ραδιοσυχνότητες. Λόγω της απουσίας φυσικού υλικού πυρήνα, είναι πολύ ελαφρύ όσον αφορά το βάρος. Ο σωστά συντονισμένος μετασχηματιστής πυρήνα αέρα χρησιμοποιείται επίσης σε λύσεις ασύρματης φόρτισης, όπου οι πρωτεύουσες περιελίξεις κατασκευάζονται μέσα στο φορτιστή και οι δευτερεύουσες περιελίξεις βρίσκονται μέσα στη στοχευμένη συσκευή.

Τύποι μετασχηματιστών με βάση τη ρύθμιση περιέλιξης

Ο μετασχηματιστής μπορεί να ταξινομηθεί χρησιμοποιώντας παραγγελίες περιέλιξης. Ένας από τους δημοφιλείς τύπους είναι οι μετασχηματιστές αυτόματης περιέλιξης.

Μετασχηματιστής αυτόματης περιέλιξης

Μέχρι τώρα, η πρωτεύουσα και η δευτερεύουσα περιέλιξη είναι σταθερή, αλλά στην περίπτωση ενός μετασχηματιστή αυτόματης περιέλιξης, το πρωτεύον και το δευτερεύον πηνίο μπορούν να συνδεθούν σε σειρά και ο κεντρικός κωνικός κόμβος είναι κινητός. Ανάλογα με την κεντρική θέση, η δευτερεύουσα τάση μπορεί να μεταβάλλεται.

Το αυτόματο δεν είναι η σύντομη μορφή του Automatic. μάλλον είναι να ειδοποιήσετε τον εαυτό ή το μονό πηνίο. Αυτό το πηνίο σχηματίζει μια αναλογία που αποτελείται από δύο μέρη, πρωτογενή και δευτερεύουσα. Η θέση του κεντρικού κόμβου βρύσης καθορίζει την πρωτογενή και δευτερεύουσα αναλογία μεταβάλλοντας έτσι την τάση εξόδου.

Η πιο συνηθισμένη χρήση είναι το V ARIAC, ένα όργανο για την παραγωγή μεταβλητού AC από μια σταθερή είσοδο AC. Χρησιμοποιείται επίσης σε εφαρμογές μεταφοράς και διανομής ισχύος όπου οι γραμμές υψηλής τάσης πρέπει να αλλάζουν συχνά.

Τύποι μετασχηματιστών με βάση τη χρήση

Υπάρχουν επίσης διάφοροι τύποι μετασχηματιστών που λειτουργούν σε έναν συγκεκριμένο τομέα. Τόσο οι ηλεκτρονικοί όσο και οι ηλεκτρικοί τομείς, διάφοροι αποκλειστικοί μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται ως μετασχηματιστής step-down ή step-up με βάση την εφαρμογή της εφαρμογής. Έτσι, οι μετασχηματιστές μπορούν να ταξινομηθούν ως παρακάτω με βάση τη χρήση:

1. Τομέας ισχύος

• Μετασχηματιστής ισχύος
• Μετασχηματιστής μέτρησης
• Μετασχηματιστής διανομής

2. Τομέας ηλεκτρονικών

• Μετασχηματιστής παλμών
• Μετασχηματιστής εξόδου ήχου

1. Μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται στον τομέα ισχύος

Στην ηλεκτρική, ο τομέας ισχύος ασχολείται με την παραγωγή, τη μέτρηση και τη διανομή ενέργειας. Ωστόσο, είναι ένα πολύ μεγάλο πεδίο όπου οι μετασχηματιστές αποτελούν ουσιαστικό μέρος για την ασφαλή μετατροπή ισχύος και την επιτυχή παροχή ισχύος στον υποσταθμό και στους τελικούς χρήστες.

Οι μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται στον τομέα ισχύος μπορούν να είναι τόσο εξωτερικοί όσο και εσωτερικοί, αλλά κυρίως εξωτερικοί.

(α) Μετασχηματιστής ισχύος

Οι μετασχηματιστές ισχύος έχουν μεγαλύτερο μέγεθος και χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά της ενέργειας στον υποσταθμό ή τη δημόσια παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτός ο μετασχηματιστής λειτουργεί ως γέφυρα μεταξύ της γεννήτριας ισχύος και του πρωτογενούς δικτύου διανομής. Ανάλογα με την ισχύ και τις προδιαγραφές ισχύος, οι μετασχηματιστές ισχύος μπορούν περαιτέρω να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: Μικρός μετασχηματιστής ισχύος, μετασχηματιστές μεσαίας ισχύος και μετασχηματιστές μεγάλης ισχύος. Η βαθμολογία μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 30KVA έως 500-700KVA ή σε ορισμένες περιπτώσεις που μπορεί να είναι ίση ή μεγαλύτερη από 7000KVA για μικρό μετασχηματιστή ισχύος. Ο μετασχηματιστής μεσαίας ονομαστικής ισχύος μπορεί να φτάσει τα 50-100 MVA, ενώ οι μεγάλοι μετασχηματιστές ισχύος μπορούν να χειριστούν περισσότερα από 100MVA.

Λόγω της πολύ υψηλής παραγωγής ισχύος, η κατασκευή ενός μετασχηματιστή ισχύος είναι επίσης κρίσιμη. Η κατασκευή περιλαμβάνει στερεά μονωτικά περιφερειακά και καλά ισορροπημένο σύστημα ψύξης. Οι πιο συνηθισμένοι μετασχηματιστές ισχύος είναι γεμάτοι με λάδια.

Η κύρια αρχή του μετασχηματιστή ισχύος είναι να μετατρέψει το υψηλό ρεύμα χαμηλής τάσης σε χαμηλό ρεύμα υψηλής τάσης. Αυτό απαιτείται για την ελαχιστοποίηση της απώλειας ισχύος στο σύστημα διανομής ισχύος.

Μια άλλη σημαντική παράμετρος για τον μετασχηματιστή ισχύος είναι η διαθεσιμότητα φάσης. Συνήθως, οι μετασχηματιστές ισχύος λειτουργούν σε τριφασικό σύστημα, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται επίσης μονοφασικοί μετασχηματιστές ισχύος. Οι τριφασικοί μετασχηματιστές ισχύος είναι οι πιο δαπανηροί και αποδοτικοί από τους μονοφασικούς μετασχηματιστές ισχύος.

(β) Μετασχηματιστής μέτρησης

Ο μετασχηματιστής μέτρησης αναφέρεται συχνά ως μετασχηματιστής οργάνων. Αυτό είναι ένα άλλο όργανο μέτρησης που χρησιμοποιείται συνήθως στον τομέα ισχύος. Ένας μετασχηματιστής μέτρησης χρησιμοποιείται για την απομόνωση της κύριας ισχύος και τη μετατροπή του ρεύματος και της τάσης σε μικρότερη αναλογία προς τη δευτερεύουσα έξοδο. Με τη μέτρηση της εξόδου, η φάση, το ρεύμα και η τάση της πραγματικής γραμμής ισχύος μπορούν να μετρηθούν.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει την κατασκευή του τρέχοντος μετασχηματιστή.

(γ) Μετασχηματιστής διανομής

Αυτό χρησιμοποιείται στην τελευταία φάση του συστήματος διανομής ισχύος. Οι μετασχηματιστές διανομής είναι μετασχηματιστής step down, ο οποίος μετατρέπει την υψηλή τάση δικτύου στην απαιτούμενη τάση από τον τελικό πελάτη, 110V ή 230V. Μπορεί επίσης να είναι μονοφασική ή τρεις φάσεις.

Οι μετασχηματιστές διανομής μπορεί να έχουν μικρότερο σχήμα καθώς και μεγαλύτερους, ανάλογα με την ικανότητα μετατροπής ή τις βαθμολογίες.

Οι μετασχηματιστές διανομής μπορούν να κατηγοριοποιηθούν περαιτέρω με βάση τον τύπο μόνωσης που χρησιμοποιεί. Μπορεί να είναι ξηρού τύπου ή μπορεί να βυθιστεί σε υγρό. Κατασκευάζεται από πλαστικοποιημένες χαλύβδινες πλάκες που κατασκευάζονται κυρίως σε σχήμα C ως υλικό πυρήνα.

Ο μετασχηματιστής διανομής έχει επίσης έναν διαφορετικό τύπο ταξινόμησης με βάση την τοποθεσία που χρησιμοποιείται. Ο μετασχηματιστής μπορεί να τοποθετηθεί σε πόλο χρησιμότητας, εάν ναι, ονομάζεται μετασχηματιστής διανομής τοποθετημένος σε πόλο. Μπορεί να τοποθετηθεί στο εσωτερικό ενός υπόγειου θαλάμου, να στερεωθεί σε ένα επίθεμα από σκυρόδεμα (μετασχηματιστής διανομής τοποθετημένο σε pad) ή μέσα σε ένα κλειστό ατσάλινο κουτί.

Γενικά, οι μετασχηματιστές διανομής έχουν βαθμολογία μικρότερη από 200kVA.

2. Ο μετασχηματιστής που χρησιμοποιείται στον τομέα Ηλεκτρονικής

Στα ηλεκτρονικά, χρησιμοποιούνται διάφοροι μικροσκοπικοί μετασχηματιστές που μπορούν να τοποθετηθούν σε PCB ή μπορούν να στερεωθούν μέσα στο μικρό περίβλημα προϊόντων.

(α) Μετασχηματιστής παλμών

Οι μετασχηματιστές παλμού είναι ένας από τους πιο χρησιμοποιούμενους μετασχηματιστές τοποθετημένους σε PCB που παράγουν ηλεκτρικούς παλμούς σε σταθερό πλάτος. Χρησιμοποιείται σε διάφορα ψηφιακά κυκλώματα όπου απαιτείται παραγωγή παλμών σε απομονωμένο περιβάλλον. Επομένως, οι μετασχηματιστές παλμών απομονώνουν τον πρωτογενή και τον δευτερεύοντα και διανέμουν τους πρωτεύοντες παλμούς στο δευτερεύον κύκλωμα, συχνά ψηφιακές λογικές πύλες ή προγράμματα οδήγησης.

Οι σωστά κατασκευασμένοι μετασχηματιστές παλμών θα πρέπει να χρειάζονται σωστή γαλβανική απομόνωση, καθώς και μικρή διαρροή και χωρητικότητα αδέσποτου.

(β) Μετασχηματιστής εξόδου ήχου

Ο Μετασχηματιστής ήχου είναι ένας άλλος μετασχηματιστής που χρησιμοποιείται συνήθως στον τομέα των ηλεκτρονικών. Χρησιμοποιείται ειδικά σε εφαρμογή που σχετίζεται με τον ήχο, όπου απαιτείται αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης. Ο μετασχηματιστής ήχου εξισορροπεί το κύκλωμα του ενισχυτή και τα φορτία, συνήθως ένα μεγάφωνο. Ο μετασχηματιστής ήχου μπορεί να έχει πολλαπλά πρωτεύοντα και δευτερεύοντα πηνία, χωρισμένα ή κεντρικά.

Έτσι, έχουμε καλύψει διάφορα είδη μετασχηματιστή, εκτός από ότι υπάρχουν κάποιοι άλλοι μετασχηματιστές ειδικού σκοπού, αλλά είναι εκτός πεδίου αυτού του άρθρου.