Transformator to urządzenie elektromagnetyczne służące do przekształcania prądu przemiennego o jednym napięciu i częstotliwości na prąd przemienny o innym (lub takim samym) napięciu i tej samej częstotliwości.
Spis treści
Budowa i działanie transformatora
W najprostszym przypadku Transformator zawiera uzwojenie pierwotne o liczbie zwojów W1 i wtórnym o W2. Energia jest podłączona do uzwojenia pierwotnego, obciążenie jest podłączone do uzwojenia wtórnego. Transfer energii odbywa się poprzez indukcję elektromagnetyczną. Aby zwiększyć sprzężenie elektromagnetyczne, uzwojenia są zwykle montowane na zamkniętym rdzeniu (rdzeniu magnetycznym).
Jeżeli napięcie zmienne U1do uzwojenia pierwotnego jest przyłożony prąd zmienny I1który indukuje w rdzeniu strumień magnetyczny F o tym samym kształcie. Ten strumień magnetyczny indukuje EMF w uzwojeniu wtórnym. Jeżeli do obwodu wtórnego podłączone jest obciążenie, prąd wtórny I2.
Napięcie w uzwojeniu wtórnym zależy od stosunku liczby zwojów W1 i W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, gdzie k współczynnik przekształcenia.
Jeśli k<1, to U2>U1Taki transformator nazywany jest transformatorem skokowym. Jeżeli k>1 , to U2
Transformator może mieć więcej niż jedno uzwojenie wtórne o różnych współczynnikach transformacji. Na przykład, transformator 220 V do zasilania żarówek domowych może mieć jedno uzwojenie wtórne, np. 500 V do zasilania obwodów anodowych i 6 V do zasilania obwodów żarowych. W pierwszym przypadku k<1, w drugim k>1.
Transformator działa tylko przy napięciu zmiennym - strumień magnetyczny musi się zmieniać, aby w uzwojeniu wtórnym powstało EMF.
Rodzaje rdzeni transformatorów
W praktyce stosuje się rdzenie nie tylko o podanym kształcie. W zależności od przeznaczenia urządzenia, rdzenie magnetyczne mogą być wykonane w różny sposób.
Rdzenie rdzeni
Rdzenie transformatorów małej częstotliwości są wykonane ze stali o wyraźnych właściwościach magnetycznych. Aby ograniczyć prądy wirowe, rdzeń matrycy jest wykonany z pojedynczych płyt, które są od siebie elektrycznie izolowane. W przypadku wysokich częstotliwości stosuje się inne materiały, takie jak ferryt.
Rdzeń, o którym mowa powyżej, jest nazywany matrycą rdzeniową i składa się z dwóch prętów. W transformatorach jednofazowych stosuje się również rdzenie trójżyłowe. Charakteryzują się one mniejszym magnetycznym strumieniem błądzącym i wyższą sprawnością. W tym przypadku zarówno uzwojenie pierwotne, jak i wtórne są umieszczone na rdzeniu centralnym.
Transformatory trójfazowe są również wykonywane na rdzeniach trójfazowych. Uzwojenia pierwotne i wtórne każdej fazy znajdują się na oddzielnym rdzeniu. W niektórych przypadkach stosuje się rdzenie pięciordzeniowe. Mają one taki sam układ, rdzenie pierwotny i wtórny znajdują się po obu stronach rdzenia, przy czym dwa najbardziej zewnętrzne rdzenie po każdej stronie są wykorzystywane do sprzęgania strumieni magnetycznych w określonych operacjach.
Rdzenie pancerne
Transformatory jednofazowe są wykonywane z rdzeniami pancernymi - obie cewki są umieszczone na środkowej części rdzenia magnetycznego. Strumień magnetyczny w tym rdzeniu jest sprzężony podobnie jak w przypadku zespołu trójrdzeniowego, tj. przez ściany boczne. Strumień rozpraszający jest w tym przypadku bardzo mały.
Zaletą tej konstrukcji jest pewne zwiększenie wymiarów i masy ze względu na możliwość gęstszego wypełnienia okna rdzenia uzwojeniami, dlatego też korzystne jest stosowanie rdzeni pancernych w transformatorach małej mocy. Konsekwencją tego jest również krótszy obwód magnetyczny, co prowadzi do zmniejszenia strat w stanie bez obciążenia.
Wadą tego rozwiązania jest trudniejszy dostęp do uzwojeń w celu kontroli i naprawy oraz trudniejsze wykonanie izolacji przy wyższych napięciach.
Toroidalny
W przypadku rdzeni toroidalnych strumień magnetyczny jest całkowicie zamknięty w rdzeniu i praktycznie nie występuje wyciek strumienia magnetycznego. Transformatory te są jednak trudne do uzwojenia, dlatego są rzadko stosowane, np. w regulowanych autotransformatorach o małych mocach lub w aplikacjach wysokiej częstotliwości, gdzie ważna jest odporność na zakłócenia.
Autotransformator
W niektórych przypadkach zaleca się stosowanie transformatorów, w których występuje nie tylko sprzężenie magnetyczne między uzwojeniami, ale także sprzężenie elektryczne między uzwojeniami. Oznacza to, że w urządzeniu typu step-up uzwojenie pierwotne jest częścią uzwojenia wtórnego, a w urządzeniu typu step-down uzwojenie wtórne jest częścią uzwojenia pierwotnego. Urządzenie takie nazywane jest autotransformatorem (AT).
Autotransformator step-down nie jest zwykłym dzielnikiem napięcia - w przekazywanie energii do obwodu wtórnego zaangażowane jest również sprzężenie magnetyczne.
Korzyści z zastosowania autotransformatorów są następujące:
- niższe straty;
- możliwość bezstopniowej regulacji napięcia;
- mniejsze wymiary (autotransformatory są tańsze, łatwiejsze w transporcie);
- Niższy koszt dzięki mniejszym wymaganiom materiałowym.
Do wad należy zaliczyć konieczność stosowania izolacji o wyższym napięciu na obu uzwojeniach oraz brak izolacji galwanicznej między wejściem a wyjściem, co może powodować przenoszenie skutków oddziaływania czynników atmosferycznych z obwodu pierwotnego na wtórny. Jednocześnie elementy obwodu wtórnego nie mogą być uziemione. Za wadę układu AT uważa się również zwiększone prądy zwarciowe. W przypadku autotransformatorów trójfazowych uzwojenia są zwykle połączone w gwiazdę z uziemionym punktem neutralnym, możliwe są inne schematy połączeń, ale są one zbyt skomplikowane i kłopotliwe. Jest to również wada, która może ograniczać stosowanie autotransformatorów.
Zastosowania transformatorowe
Zdolność transformatorów do zwiększania lub zmniejszania napięcia jest szeroko wykorzystywana w przemyśle i gospodarstwach domowych.
Transformacja napięcia
Poziom napięcia przemysłowego ma różne wymagania w różnych fazach. Z różnych powodów stosowanie generatorów wysokiego napięcia do produkcji energii elektrycznej nie jest opłacalne. Dlatego na przykład w elektrowniach wodnych stosuje się generatory o napięciu 6...35 kV. Z kolei do przesyłu energii elektrycznej potrzebne są wyższe napięcia - od 110 kV do 1150 kV w zależności od odległości. Napięcie to jest następnie ponownie obniżane do 6...10 kV, rozprowadzane do lokalnych podstacji, skąd jest redukowane do 380(220) V i dostarczane do odbiorcy końcowego. W przypadku urządzeń domowych i przemysłowych napięcie to musi być jeszcze bardziej obniżone, zwykle do 3...36 V.
Wszystkie te czynności są wykonywane za pomocą transformatory mocy. Mogą to być urządzenia suche lub olejowe. W tym drugim przypadku rdzeń i uzwojenia znajdują się w zbiorniku z olejem, który działa jako czynnik izolujący i chłodzący.
Izolacja galwaniczna
Izolacja galwaniczna zwiększa bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych. Jeżeli urządzenie nie jest zasilane bezpośrednio z sieci 220 V, w której jeden z przewodów jest połączony z uziemieniem, lecz za pośrednictwem transformatora 220/220 V, napięcie zasilania pozostaje takie samo. Jeżeli jednak uziemienie i wtórne części przewodzące prąd zetkną się w tym samym czasie, prąd nie będzie mógł przepływać przez obwód, a ryzyko porażenia prądem będzie znacznie mniejsze.
Pomiar napięcia
We wszystkich instalacjach elektrycznych należy monitorować poziom napięcia. W przypadku stosowania klasy napięcia do 1000 V woltomierze są mocowane bezpośrednio do części czynnych. W instalacjach o napięciu powyżej 1000 V nie jest to możliwe - urządzenia te będą zbyt kłopotliwe i mogą nie być bezpieczne w przypadku uszkodzenia izolacji. Dlatego w takich systemach woltomierze są podłączane do przewodów wysokiego napięcia za pośrednictwem transformatorów o odpowiednim współczynniku transformacji. Na przykład w sieciach 10 kV stosuje się transformatory 1:100, a napięcie wyjściowe wynosi standardowe 100 V. Jeśli napięcie pierwotne zmienia się pod względem amplitudy, zmienia się ono również w tym samym czasie w napięciu wtórnym. Skala woltomierza jest zwykle wyskalowana w zakresie napięcia pierwotnego.
Transformator jest elementem dość złożonym i kosztownym w produkcji i utrzymaniu. Jednak w wielu zastosowaniach urządzenia te są niezbędne i nie ma dla nich alternatywy.
Powiązane artykuły:
