Transformatoarele sunt cele mai recunoscute echipamente din sistemele de alimentare. Sunt mari, distinctive, simple în principiu, dar necesită multă întreținere, făcându-le să pară mult mai substanțiale decât „cablurile”. Pe diagrama rețelei electrice, transformatoarele sunt ca nodurile coloana vertebrală, în timp ce alte echipamente servesc drept conexiuni.

Acest articol va prezenta componentele, principiile, funcțiile, clasificarea și scenariile de aplicare ale transformatoarelor.

1.Compoziția unui transformator

Un transformator constă în principal dintr-un miez și înfășurări.

Miezul servește ca traseu al circuitului magnetic al transformatorului, în timp ce înfășurările sunt partea circuitului electric, realizată prin înfășurarea unui anumit număr de spire de sârmă email-.

Cel conectat la sursa de alimentare se numește înfășurare primară, cunoscută și sub denumirea de bobină primară. Cel conectat la sarcină se numește înfășurare secundară, cunoscută și sub denumirea de bobină secundară, sau înfășurare laterală secundară.

Formele de bază ale structurilor de bază sunt tipul de miez în formă de inimă-și tipul de înveliș.

• Transformator cu miez-în formă de inimă

Coloanele unui transformator de tip miez-sînt înconjurate de înfășurări. Mai simplu spus, înfășurările înconjoară miezul, făcând structura relativ simplă și mai ușor de asamblat și izolat, motiv pentru care transformatoarele folosesc adesea o structură de tip miez-.

• Transformator de tip shell-

Într-un transformator de tip carcasă-, miezul înconjoară înfășurarea. Transformatoarele de tip Shell-au rezistență mecanică ridicată și colțuri proeminente, dar procesul lor de fabricație este complex și necesită mai multe materiale. Acestea sunt de obicei utilizate numai în transformatoare de joasă-tensiune,-curenți mari sau transformatoare de putere-de capacitate mică.

2.Principiul de bază de funcționare al unui transformator

Un transformator funcționează pe principiul inducției electromagnetice.

Când o sursă de alimentare AC adecvată este conectată la ambele capete ale înfășurării primare, sub acțiunea tensiunii de alimentare u₁, un curent alternativ i₀ curge prin înfășurarea primară, generând o forță magnetomotoare în înfășurarea primară. Aceasta excită un flux magnetic alternant ϕ în miez. Acest flux alternant ϕ leagă atât înfășurările primare, cât și cele secundare. Conform legii inducției electromagnetice, forțele electromotoare induse e₁și e₂sunt generate în înfășurările primare și, respectiv, secundare. Sub influența forței electromotoare induse e₂, înfășurarea secundară poate furniza energie sarcinii, realizând transferul de energie.

Raportul forțelor electromotoare induse în înfășurările primare și secundare este egal cu raportul dintre numărul de spire în înfășurările primare și secundare. Mărimea forței electromotoare induse e₁pe partea primară este aproape de tensiunea aplicată u₁pe partea primară, în timp ce mărimea forței electromotoare induse e₂pe partea secundară este aproape de tensiunea de ieșire u₂pe latura secundara.

Prin urmare, prin simpla schimbare a numărului de spire în înfășurarea primară sau secundară o dată sau de două ori, tensiunea de ieșire u₂poate fi ajustat. Acesta este principiul de bază de funcționare al unui transformator, care utilizează principiul inducției electromagnetice pentru a converti o sursă de curent alternativ cu un nivel de tensiune într-o sursă de curent alternativ cu aceeași frecvență, dar cu un nivel de tensiune diferit.

2.Funcțiile de bază ale unui transformator

Funcțiile de bază ale unui transformator includ conversia tensiunii, conversia curentului, conversia impedanței, izolarea și reglarea tensiunii.

Transformarea tensiunii: Transformatoarele pot crește sau scădea tensiunea curentului alternativ pentru a satisface diferite nevoi de electricitate. De exemplu, un transformator pas-în sus este folosit pentru a crește tensiunea de la o centrală electrică pentru a reduce pierderile de energie în timpul transmisiei, în timp ce un transformator pas-în jos este utilizat pentru a reduce tensiunea înaltă la o tensiune de utilizare sigură.

Transformarea curentului: Prin schimbarea tensiunii, un transformator schimbă și curentul în mod corespunzător. Conform legii conservării puterii, atunci când tensiunea crește, curentul scade și invers. Această caracteristică face ca transformatoarele să fie foarte importante în transmisia puterii, deoarece pot gestiona eficient sarcinile curente.

Transformarea impedanței: transformatoarele pot modifica impedanța unui circuit, făcându-l mai potrivit pentru diferite condiții de sarcină. Acest lucru este deosebit de important în echipamentele audio și alte dispozitive electronice, deoarece poate îmbunătăți eficiența transmisiei semnalului.

Izolare: Transformatoarele pot asigura izolare electrică, protejând siguranța echipamentelor și a utilizatorilor. Această izolație poate împiedica tensiunea înaltă să deterioreze echipamentele de joasă-tensiune, asigurând funcționarea în siguranță a echipamentului.

Reglarea tensiunii: Anumite tipuri de transformatoare (cum ar fi reactoarele saturabile) pot fi utilizate pentru reglarea tensiunii, ajutând la menținerea stabilității tensiunii și asigurând fiabilitatea și stabilitatea sistemului de alimentare.

4.Clasificarea transformatoarelor

4.1 Clasificat după capacitate

• Transformator mic: tensiune sub 10KV, capacitate intre 1 si 500KVA.

• Transformatoare mici și mijlocii{0}}: tensiune de 35 kV și mai mică, capacitate de la 630 la 6300 kVA.

• Transformatoare mari: tensiune de 110 kV și mai jos, capacitate între 8000 și 63000 kVA.

4.2Clasificat după utilizare

• Transformator de putere: utilizat pentru creșterea, coborârea, distribuția și interconectarea în sistemele de transport și distribuție a energiei sau utilizat în mod special ca transformatoare pentru centrale și substații electrice.

• Transformatoare pentru instrumente: cum ar fi transformatoarele de tensiune și transformatoarele de curent, utilizate pentru instrumente de măsură și dispozitive de protecție a releelor.

• Transformator de putere: utilizat pentru alimentarea cu energie de control, iluminare și indicatoare ale echipamentelor mecanice generale.

• Transformator electronic: utilizat în circuite electronice, cum ar fi sursele de alimentare cu comutare-, potrivirea audio, puls și impedanță.

• Transformator de testare: capabil să genereze tensiune înaltă pentru a efectua teste de-tensiune înaltă pe echipamente electrice.

• Transformatoare speciale: cum ar fi transformatoare electrice pentru cuptor, transformatoare redresoare, transformatoare de reglare a tensiunii etc.

4.3Clasificat după numărul de faze ale înfășurărilor transformatorului

• Transformator monofazat: utilizat pentru sarcini monofazate și baterii de transformatoare trifazate.

• Transformator trifazat: folosit pentru a crește sau a reduce tensiunea în sistemele trifazate.

4.4Clasificat după metoda de răcire a transformatorului

• Transformator de tip uscat-: răcit prin convecție a aerului, utilizat în general pentru transformatoare de-capacitate mică, cum ar fi iluminatul local și circuitele electronice.

• Transformator cu scufundare în ulei-: un transformator care utilizează ulei de transformator ca mediu izolator și de răcire, cu miezul și înfășurările complet scufundate în uleiul izolator.

4.5Clasificat după tipul de conexiune a înfășurării transformatorului

• Transformator cu dublă-înfășurare: utilizat pentru a conecta două niveluri de tensiune în sistemul de alimentare.

• Transformator cu trei-înfăşurări: utilizat în general în substaţiile regionale ale sistemului de alimentare pentru a conecta trei niveluri de tensiune.

• Autotransformator: înfășurările primare și secundare sunt combinate într-una singură, utilizate pentru a conecta sistemele de alimentare cu tensiuni diferite. Poate fi folosit și ca un transformator obișnuit-în sus sau în jos-.

4.6Clasificat după frecvența de funcționare a transformatorului

• Transformator de frecvență de putere: frecvența sa de funcționare este de 50Hz sau 60Hz.
• Transformator de frecvență intermediară: frecvența sa de funcționare este de 400–1000 Hz.
• Transformator de frecvență audio: frecvența sa de funcționare este 20Hz–20kHz.

• Transformator de frecvență supersonică: frecvența sa de funcționare este peste 20 kHz, în general nu depășește 100 kHz.

• Transformator de-frecvență înaltă: un transformator cu o frecvență de funcționare cuprinsă între 20 Hz și peste 100 kHz.

5.Scenarii de aplicare a transformatoarelor

5.1 Sistem de alimentare

• Centrale electrice: transformatoarele sunt folosite pentru a crește tensiunea generată de generatoare pentru a fi transmisă la rețeaua electrică, permițând transportul de energie electrică pe distanțe lungi{0}.

• Substații: în substații, transformatoarele convertesc energia electrică de-tensiune înaltă în electricitate de-joasă tensiune pentru a satisface nevoile diferitelor echipamente electrice. În același timp, transformatoarele pot îndeplini și funcții precum compensarea puterii reactive și reglarea tensiunii, asigurând funcționarea stabilă a sistemului de alimentare.

• Linii de transport: în liniile de transmisie, transformatoarele sunt folosite pentru a crește tensiunea pentru a reduce pierderile de energie, realizând un transport eficient de energie electrică pe distanțe lungi{0}.

5.2 Sectorul civil

• Electricitate casnică: transformatoarele de putere transformă electricitatea de-tensiune înaltă în energie electrică de-joasă tensiune adecvată pentru uz casnic, asigurând un consum normal de energie electrică pentru rezidenți.

• Încărcarea bateriilor: indiferent dacă este vorba de un laptop, telefon sau vehicul electric, aceste dispozitive necesită baterii pentru a funcționa, iar încărcarea bateriilor necesită un transformator. Funcția principală a unui transformator este de a regla tensiunea și de a preveni trecerea curenților de scurgere sau de supratensiune prin dispozitive.

5.3 Câmpul de comunicare

Transformatoarele de comunicație sunt utilizate în circuitele terminalelor telefonice și produsele de linie trunchială pentru a reglementa calitatea și starea circuitelor de comunicație. În plus, transformatoarele de comunicație sunt utilizate pe scară largă în modemuri prin cablu, plăci de rețea, hub-uri, echipamente de comunicație în bandă largă xDSL, comutatoare, transceiver-uri cu fibră optică, routere, sisteme încorporate și dispozitive de comunicație în rețea VoIP.

5.4 Alte aplicații speciale

• Echipament audio: Transformatoarele audio sunt utilizate în mod obișnuit pentru a asigura izolarea semnalelor care circulă printr-un circuit și pentru a ajuta la potrivirea valorilor de impedanță ale sursei și ale sarcinii. De asemenea, pot elimina semnalele nedorite sau zgomotoase și pot filtra semnalul de intrare. Aceste tipuri de transformatoare sunt special concepute pentru a gestiona semnale în intervalul sonor, adică semnale cu frecvențe între 20Hz și 20kHz.

• Instrumente de măsurare: Contoarele de curent, contoarele de tensiune și diverse alte instrumente și dispozitive de măsurare folosesc de obicei transformatoare pentru funcționarea generală. De exemplu, transformatoarele de curent de măsurare asigură siguranța necesară pentru circuit prin izolarea dispozitivului de măsurare de restul circuitului și suprimarea sau reducerea curenților mari la valori optime înainte de a le alimenta la ampermetru.

• Rectificare: transformatoarele redresoare pot converti AC în DC, cu aplicații inclusiv controlul motoarelor, minerit, cuptoare electrice, laboratoare de cercetare și dezvoltare, transmisie DC de înaltă-tensiune și multe altele.