Áramváltók: felépítés, működési elv és típusok

Az áramváltókat széles körben használják a modern energetikában, mint a különböző elektromos paraméterek megváltoztatására szolgáló berendezéseket, miközben azok alapértékei megmaradnak. A berendezés működése az indukció törvényén alapul, amely a szinuszosan változó mágneses és elektromos mezőkre vonatkozik. A transzformátor a primer áram értékét a moduláció és a szögátvitel tekintetében a nyers adatokkal arányosan átalakítja. A berendezés kiválasztását az alkalmazási terület és a csatlakoztatott fogyasztók száma alapján kell elvégezni.

Mi az az áramváltó?

Ezeket az iparban, a kommunális és mélyépítésben, az iparban és más területeken használják meghatározott fizikai paraméterekkel rendelkező áram alkalmazására. A feszültséget a primer tekercsek tekercseire vezetik, ahol mágneses sugárzás hatására váltakozó áram keletkezik. Ugyanez a sugárzás halad át a többi tekercsen, ami az EMK-erők mozgását okozza, és amikor a másodlagos tekercseket rövidre zárják vagy elektromos áramkörhöz csatlakoztatják, a rendszerben másodlagos áram keletkezik.

A modern áramváltók lehetővé teszik az energia olyan átalakítását, hogy annak használata ne okozzon kárt az azt használó berendezésekben. Lehetővé teszik a nagyobb terhelések mérését is a gépek és a személyzet maximális biztonsága mellett, mivel a primer és a szekunder tekercsek megbízhatóan el vannak szigetelve egymástól.

Milyen transzformátorok?

Könnyű belátni, hogy mire jó egy áramváltó: alkalmazásai minden olyan területet lefednek, ahol energiaértékeket alakítanak át. Ezek a készülékek olyan segédeszközök, amelyeket mérőműszerekkel és relékkel párhuzamosan használnak váltóáramú áramkör létrehozására. Ezekben az esetekben a transzformátorok átalakítják az energiát, hogy megkönnyítsék a paraméterek megfejtését vagy a különböző jellemzőkkel rendelkező berendezések összekapcsolását ugyanabban az áramkörben.

A transzformátorok mérési funkciója is létezik: nagyobb feszültségű elektromos áramkörök működtetésére szolgálnak, amelyekhez mérőműszereket kell csatlakoztatni, de közvetlenül nem lehet. Fő feladatuk az áramértékekről szerzett információk továbbítása a szekunder tekercseléshez csatlakoztatott mérőműszerekhez. Lehetővé teszi továbbá az áramkörben lévő áram felügyeletét: amikor a relé használatakor a maximális áramértéket elérik, egy védelem aktiválódik, amely lekapcsolja a berendezést, hogy megakadályozza a kiégést és a személyzet károsodását.

Működési elv

E berendezés működése az indukció törvényén alapul, amely szerint a primer tekercsekre feszültséget kapcsolunk, és az áram legyőzi a tekercs által létrehozott ellenállást, ami a mágneses fluxusnak a mágnestekercsre való átvitelét okozza. A fluxus merőleges az áramra, így minimalizálva a veszteségeket, és ahogy áthalad a szekunder tekercseken, az EMK aktiválódik. Ez olyan áramot indukál a rendszerben, amely nagyobb, mint a tekercs ellenállása, miközben a szekunder tekercsek kimeneti végén a feszültség csökken.

A legegyszerűbb transzformátorkonstrukció tehát egy fémmagból és egy tekercspárból áll, amelyek nincsenek egymással összekötve, és szigetelt vezetékként készülnek. Bizonyos esetekben a terhelés csak a primer tekercseken van, a szekunderen nem: ez az úgynevezett üresjárati üzemmód. Ha a szekunder tekercshez áramfogyasztó berendezés csatlakozik, a tekercseken áram folyik át, és elektromotoros erő keletkezik. Az EMF-et a tekercsek száma határozza meg. A primer és szekunder tekercsek elektromotoros erejének arányát transzformációs aránynak nevezzük, amelyet a tekercsek számának arányából számítunk ki. A primer vagy szekunder fordulatok számának változtatásával szabályozható a végfelhasználói feszültség.

Az áramváltók osztályozása

Az áramváltóknak több típusa létezik, amelyeket számos kritérium alapján osztályoznak, beleértve a célt, a beépítési módot, az átalakítási lépések számát és egyéb tényezőket. Ezeket a paramétereket az áramváltó kiválasztása előtt figyelembe kell venni:

• Cél. Ez a mérési, a közbenső és a védelmi modellek megkülönböztetésére szolgál. A köztes transzformátorokat például a relés védelmi rendszerek és más áramkörök számítási műveleteihez szükséges eszközök csatlakoztatására használják. A külön megkülönböztető laboratóriumi transzformátorok, amelyek a mutatók nagyobb pontosságát biztosítják, nagyszámú konverziós együtthatóval rendelkeznek.
• Telepítési módszer. Vannak kültéri és beltéri telepítésre szánt transzformátorok: ezek nemcsak másképp néznek ki, hanem a külső hatásokkal szembeni ellenállás különböző mutatóival is rendelkeznek (például a kültéri használatra szánt készülékek csapadék és hőmérséklet-ingadozás elleni védelemmel rendelkeznek). Megkülönböztetünk padmount és hordozható transzformátorokat is; az utóbbiak viszonylag kis tömeggel és méretekkel rendelkeznek.
• Tekercselés típusa. A transzformátorok lehetnek egy- és többfeszültségűek, tekercsesek, magosok vagy gyűjtősínesek. Mind az elsődleges, mind a másodlagos tekercselés eltérő lehet, és a szigetelés (száraz, porcelán, bakelit, olaj, vegyület stb.) is eltérő.
• Az átalakítási lépések szintje. A berendezés lehet egy- vagy kétfokozatú (kaszkád), az 1000 V-os feszültséghatár lehet minimális vagy maximális.
• Tervezés. E kritérium szerint kétféle áramváltó létezik: olajjal átitatott és száraz típusú. Az első esetben a tekercsek és a mágneses mag egy speciális olajos folyadékot tartalmazó edényben vannak: ez a szigetelés szerepét tölti be, és lehetővé teszi a közeg üzemi hőmérsékletének szabályozását. A második esetben a hűtés léghűtéses, és az ilyen rendszereket ipari és lakóépületekben használják, mivel az olajtranszformátorokat a megnövekedett tűzveszély miatt nem lehet belsejükbe telepíteni.
• A feszültség típusa. A transzformátorok lehetnek le- és felfokozhatóak: az első esetben a primer tekercseken lévő feszültség csökken, míg a második esetben a feszültség nő.
• Egy másik módja az osztályozásnak az, hogy az áramváltót a kapacitása szerint választjuk ki. Ez a paraméter a berendezés rendeltetésétől, a csatlakoztatott fogyasztók számától és tulajdonságaitól függ.

Paraméterek és jellemzők

Az ilyen berendezések kiválasztásakor figyelembe kell vennie az alkalmazási területet és a költségeket befolyásoló főbb műszaki paramétereket. A főbb jellemzők:

• Névleges terhelés, vagy teljesítmény: a transzformátorok jellemzőinek összehasonlító táblázata alapján lehet választani. Ennek a paraméternek az értéke határozza meg a többi áramerősséget, mivel szigorúan szabályozott, és arra szolgál, hogy meghatározza a berendezés normál működését a kiválasztott pontossági osztályban.
• Névleges áram. Ez az érték határozza meg, hogy a készülék mennyi ideig képes működni anélkül, hogy túlmelegedne a kritikus hőmérsékletig. A transzformátorok általában jelentős hőtartalékkal rendelkeznek, és 18-20%-os túlterhelés esetén is normálisan működnek.
• Feszültség. Ez az érték fontos a tekercsszigetelés minősége szempontjából, és biztosítja a gép zavartalan működését.
• Hibák. Ezt a jelenséget a mágneses fluxus okozza; a hibaérték a pontos primer és szekunder áram közötti különbség. A transzformátor magjában megnövekedett mágneses fluxus a hiba arányos növekedéséhez járul hozzá.
• Az átalakítási arány, amely a primer tekercsekben folyó áram és a szekunder tekercsek áramának aránya. Az együttható valós értéke a névleges értéktől az energiaátalakítási veszteség mértékével megegyező mértékben tér el.
• A tényleges primer áram és a névleges áram hányadosaként kifejezett határérték-szorosság.
• A szekunder tekercselés tekercseiben fellépő áram többszöröse.

Az áramváltó legfontosabb adatait a teljesítménytényező-diagram határozza meg: ez lehetővé teszi a berendezés jellemzőinek vizsgálatát különböző üzemmódokban, az üresjárattól a teljes terhelésig.

A fő értékeket a készülék testén egy speciális jelölés jelzi. Tartalmazhat továbbá információkat a berendezés felemelésének és telepítésének módjáról, figyelmeztető információkat a szekunder tekercseken lévő magas feszültségekről (350 voltnál nagyobb feszültség), információkat a földelőbetét meglétéről. Az energiaátalakítót matricával vagy festékkel jelölik.

Lehetséges hibák

Mint minden más berendezés esetében, a transzformátorok is időről időre meghibásodnak, és szakértői karbantartást és diagnózist igényelnek. A készülék ellenőrzése előtt fontos tudni, hogy milyen hibák fordulnak elő, és milyen jelek felelnek meg nekik:

• Egyenetlen zaj a burkolaton belül, recsegés. Ez a jelenség általában a földelő elem megszakadását, a tekercselésből származó, a házra való átfedést vagy a mágneses magként szolgáló lemezek laza préselését jelzi.
• A burkolat túlzott felmelegedése, megnövekedett áram a fogyasztói oldalon. A problémát okozhatják a szigetelőréteg kopása vagy mechanikai sérülése miatti tekercszárlatok, a rövidzárlatokból eredő gyakori túlterhelések.
• Repedt szigetelők, csúszó kisülések. Ezek az indítás előtt fel nem ismert gyártási hibák, idegen testek és különböző értékű fázisvezetékek közötti átfedések esetén fordulnak elő.
• Olajkibocsátás, amelynek során a kipufogószerkezet membránja megrepedt. A problémát a szigetelés kopása, az olajszint csökkenése, a feszültségesés vagy a végponttól végpontig tartó rövidzárlat esetén fellépő túláramok okozta fázisközi rövidzárlatoknak tulajdonítják.
• Olaj szivárog a tömítések alól vagy a transzformátor csapjaiból. A fő okok az alkatrészek hibás hegesztése, a gyenge tömítések, a tönkrement tömítések vagy a súrolatlan szeleptömlők.
• A gázvédelmi relé aktiválása. Ez a jelenség akkor következik be, amikor az olaj bomlik a tekercselési hiba, a nyitott áramkör, a kapcsolóérintkezők kiégése vagy a transzformátorház rövidzárlata miatt.
• A gázvédelmi relé kikapcsolása. Az olajfolyadék aktív bomlása fázisközi hiba, belső vagy külső túlfeszültség vagy úgynevezett "acéltűz" következtében okozza a problémát.
• Kioldott a differenciális védelem. Ez a hiba akkor jelentkezik, ha a tápegység házában meghibásodás van, ha a fázisok között átfedés van, vagy más esetekben.

A készülék működőképességének maximalizálása érdekében rendszeres ellenőrzéseket kell végezni hőkamerával: a berendezés képes diagnosztizálni az érintkezés minőségének romlását és az üzemi hőmérséklet csökkenését. A szakemberek a következő műveletsort végzik az ellenőrzés során:

• 1. Feszültség és áram leolvasása.
  2. Külső forrásból történő terhelésellenőrzés.
  3. A működési áramkör paramétereinek meghatározása.
  4. A transzformációs arány kiszámítása, az értékek összehasonlítása és elemzése.

Egy transzformátor számítása

Az alapelvet a következő képlet határozza meg U1/U2=n1/n2, amelynek elemei a következőképpen vannak megfejtve:

• U1 és U2 a primer és szekunder fordulók feszültségei.
• n1 és n2 az elsődleges és másodlagos tekercsek száma.

A mag keresztmetszeti területének meghatározására egy másik képletet használnak: S=1,15 * √PA teljesítményt wattban, a területet pedig négyzetcentiméterben mérik. Ha a berendezésben használt mag S betű alakú, a keresztmetszeti területet a középső magra kell kiszámítani. Az elsődleges szint tekercselés fordulatszámának meghatározásához használja a képletet n=50*U1/S, amennyiben az 50. alkatrész nem változatlan, az elektromágneses interferencia elkerülése érdekében ajánlott 60. alkatrészre cserélni. Egy másik képlet a következő d=0,8*√Iahol d a vezeték keresztmetszete és I az áramintenzitás indexe, a kábel átmérőjének kiszámítására szolgál.

A számított értékeket felfelé kerekítjük (pl. a 37,5 W-os számított teljesítményt 40 W-ra kerekítjük lefelé). A kerekítés csak felfelé megengedett. A fenti képleteket a 220 V-os hálózaton működő transzformátorok kiválasztására használják; nagyfrekvenciás vezetékek építésénél más paramétereket és számítási módszereket alkalmaznak.

Kapcsolódó cikkek: