Spis treści:
- 1 Transformator – co to jest i jak działa?
- 2 Transformatory wokół nas
- 3 Transformatory – różne konstrukcje, różne cele, wspólna zasada działania
- 4 Co to jest transformator?
- 5 Budowa klasycznego transformatora
- 6 Jak działa transformator?
- 7 Dlaczego transformatory ,,buczą”?
- 8 Transformatory do zasilania różnych urządzeń przenośnych i stacjonarnych
- 9 Transformatory elektroenergetyczne: od elektrowni do fabryk, biur i domów
- 10 Gdy zabraknie skali: transformatory pomiarowe
- 11 Transformatory probiercze: Czy dojdzie do przebicia?
- 12 Pod żółtą taśmą: transformatory impulsowe
- 13 Po pierwsze bezpieczeństwo: transformatory separacyjne
- 14 Na jednym uzwojeniu: autotransformatory
- 15 By dopasować impedancję: transformatory głośnikowe
- 16 Bez iskry nie pojedziesz, a nawet nie skosisz trawy: cewki zapłonowe
Transformator – co to jest i jak działa?
Transformatory wokół nas
Transformatory – różne konstrukcje, różne cele, wspólna zasada działania
Otaczający nas świat jest naszpikowany urządzeniami elektrycznymi i elektronicznymi o niesamowicie zróżnicowanym przeznaczeniu. Warto zwrócić uwagę na ich zasilanie – zarówno odbiorników, jak i urządzeń wytwarzających energię elektryczną, a także przetwarzających ją na energię elektryczną o innych parametrach. Jednym z takich elementów, które jest szczególnie rozpowszechnione, jest transformator. W zależności od konstrukcji i przeznaczenia transformatory mają zróżnicowane parametry robocze – inny transformator wykorzystasz do podwyższenia napięcia na wyprowadzeniu mocy z elektrowni, inny do wzmacniacza audio, a jeszcze inny do budowy zasilacza impulsowego dla aparatury elektromedycznej.
Co to jest transformator?
Na początku odpowiedzmy na pytanie – co to jest transformator? W ogólnym zarysie jest to maszyna elektryczna niewirująca, która jest przeznaczona do zamiany parametrów energii elektrycznej, czyli prądu i napięcia o przebiegu zmiennym w dziedzinie czasu, drogą sprzężenia magnetycznego. W uproszczeniu transformator tworzą dwie cewki indukcyjne. Najczęściej z transformatorów korzysta się po to, aby dopasować napięcia robocze w poszczególnych obwodach ze sobą współpracujących do konkretnych wymagań – inne napięcie będzie potrzebne, by przesłać energię z elektrowni do fabryki, a jeszcze inne, żeby zasilić domowe odbiorniki energii elektrycznej. Przesyłanie energii na mniejsze bądź większe odległości ma szczególnie istotne znaczenie ekonomiczne. Zgodnie z zasadą zachowania bilansu mocy pozornej, kiedy podwyższy się napięcie za pomocą transformatora np. dwukrotnie, to prąd w uzwojeniu pracującym na dwukrotnie wyższym napięciu będzie dwukrotnie niższy. Im niższy prąd, tym mniejsze straty na rezystancji i reaktancji przewodów. Moc transformatorów jest typowo wyrażana w woltoamperach (VA), czyli w jednostkach mocy pozornej. W zależności od przeznaczenia moc transformatorów może się różnić – dla domowych i warsztatowych urządzeń elektrycznych może ona wynosić od ułamków woltoampera do kilku kilowoltoamperów (kVA), podczas gdy dla transformatorów elektroenergetycznych moce idą w setki megawoltoamperów (MVA), a niekiedy nawet przekraczają wartość 1 GVA.
Budowa klasycznego transformatora
Standardowa, jedna z najprostszych konstrukcji transformatorów wykorzystuje rdzeń żelazny złożony z pakietów blach wykonanych ze stali elektrotechnicznej. Ten pakiet blach tworzy magnetowód, czyli obwód magnetyczny transformatora. Rdzenie mogą mieć różne kształty – najpopularniejsze są rdzenie typu EI, EE, UI, a także rdzenie toroidalne. Zastosowanie blach zamiast litego rdzenia zmniejsza straty mocy na histerezę i prądy wirowe. Najprostszy transformator ma dwa uzwojenia, które są względem siebie elektrycznie odseparowane – uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne. Każde z uzwojeń jest nawinięte miedzianym (lub rzadziej aluminiowym) drutem pokrytym warstwą emalii izolującej. Uzwojenia są nawijane na korpus z tworzywa sztucznego, który ma wyprowadzone zaciski dla początków i końców poszczególnych uzwojeń.
Jak działa transformator?
Na potrzeby naszych rozważań opiszemy zasadę działania transformatora jednofazowego dwuuzwojeniowego. Uzwojenie pierwotne jest podłączone do źródła napięcia sinusoidalnie zmiennego, a uzwojenie wtórne – do odbiornika. Kiedy zamkniemy obwód pierwotny, będzie przez niego płynął prąd sinusoidalnie zmienny. Przepływ prądu w uzwojeniu pierwotnym będzie powodował powstawanie strumienia magnetycznego, który musi mieć drogę zamkniętą – powstanie strumienia magnetycznego byłoby niemożliwe, gdybyśmy na uzwojenie pierwotne podali napięcie stałe. Przepływ strumienia magnetycznego w rdzeniu zgodnie z prawem indukcji Faradaya powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniu wtórnym. Ponieważ obwód wtórny jest zamknięty przez impedancję odbiornika, w tym uzwojeniu popłynie prąd. Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wtórnym będzie miała wartość zależną proporcjonalnie od ilości zwojów tego uzwojenia oraz prędkości zmian w czasie (pochodnej) strumienia magnetycznego w rdzeniu.
Dlaczego transformatory ,,buczą”?
W przypadku transformatorów pracujących na częstotliwości sieciowej, czyli 50 Hz lub 60 Hz, cechą charakterystyczną jest mniej bądź bardziej słyszalne „buczenie”. Częstotliwość tego buczenia odpowiada dwukrotności częstotliwości sieciowej. Oznacza to, że przykładowo dla częstotliwości napięcia w Polsce będziemy słyszeli ton o częstotliwości 100 Hz, a dla częstotliwości napięcia w USA – ton o częstotliwości 120 Hz. To charakterystyczne buczenie jest spowodowane zjawiskiem magnetostrykcji. Kiedy weźmiemy pod lupę, co się dzieje w blachach tworzących rdzeń transformatora, zaobserwujemy uporządkowany ruch dipoli magnetycznych, które zgodnie z przebiegiem czasowym i częstotliwością strumienia magnetycznego w rdzeniu będą zmieniały swoją polaryzację. Wskutek tego zjawiska dochodzi do mikroskopijnego ściskania i rozciągania blach, czego efektem ubocznym jest właśnie charakterystyczne „buczenie” – im bardziej będzie obciążony transformator, tym większy będzie hałas.
Transformatory do zasilania różnych urządzeń przenośnych i stacjonarnych
Transformatory stanowią nieodłączny element budowy zasilaczy do domowych urządzeń elektrycznych – dotyczy to zarówno zasilaczy w obudowie urządzenia, jak i zewnętrznych. Za pomocą zasilacza transformatorowego pracującego na częstotliwości sieciowej można obniżyć napięcie 230 V do poziomu napięcia bezpiecznego (np. 24 V, 12 V, 9 V i innych), na które jest zaprojektowane urządzenie. Rozróżniamy zasilacze napięcia przemiennego, składające się tylko z transformatora, oraz zasilacze napięcia stałego, gdzie po stronie uzwojenia dolnego napięcia znajdują się też mostek prostowniczy i kondensatory, a w zasilaczach stabilizowanych także regulator napięcia.
Transformatory elektroenergetyczne: od elektrowni do fabryk, biur i domów
Największymi pod względem wymiarów i przenoszonych mocy transformatorami są transformatory elektroenergetyczne. Stanowią one sprzęgła pomiędzy poszczególnymi węzłami systemu elektroenergetycznego, pracującymi na różnych poziomach napięć. W Polsce, w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, transformatory sprzęgają ze sobą sieci najwyższego napięcia (NN) 400 kV i 220 kV, sieci wysokiego napięcia (WN) 110 kV, sieci średniego napięcia (SN) 20 kV, 15 kV, 10 kV i 6 kV, a także sieci niskiego napięcia (nn) 0,4 kV/0,23 kV. Są to transformatory trójfazowe, czyli takie, które na rdzeniu mają nawinięte po trzy uzwojenia dla obwodu górnego i dolnego napięcia.
Uzwojenia w zależności od poziomów napięć są ze sobą połączone w trójkąt, gwiazdę izolowaną lub gwiazdę uziemioną. Dzięki przesunięciu fazowemu o kąt 120° pomiędzy poszczególnymi uzwojeniami udało się uzyskać napięcie międzyfazowe. Transformację napięć w systemie elektroenergetycznym wykonuje się po to, aby zmniejszyć straty przesyłowe na liniach elektroenergetycznych. Ponadto w elektroenergetyce stosuje się także przesuwniki fazowe – transformatory umożliwiające regulację przesunięcia fazowego pomiędzy prądami i napięciami na poszczególnych fazach w celu wprowadzenia zmiany rozpływów mocy czynnej i biernej.
Gdy zabraknie skali: transformatory pomiarowe
Dzięki takim przyrządom jak woltomierz czy amperomierz, które występują osobno lub zunifikowane w multimetrze, można wykonywać pomiary prądów i napięć. Problem zaczyna się wtedy, kiedy mierzone wielkości wykraczają poza zakres pomiarowy przyrządu. W tym celu stosuje się przekładniki prądowe i napięciowe – specjalne transformatory pomiarowe, które można spotkać głównie w laboratoriach badawczo-rozwojowych, a także w elektroenergetyce. Przekładniki prądowe służą do pomiaru prądu i pracują w stanie zbliżonym do zwarcia – uzwojenie pierwotne przekładnika jest włączane bezpośrednio w szereg z obwodem, w którym mierzony jest prąd, a uzwojenie wtórne jest zamknięte przez ustrój urządzenia pomiarowego. Natomiast przekładnik napięciowy pracuje w stanie zbliżonym do przerwy w obwodzie i umożliwia pomiar napięcia. Jeden z biegunów po stronie obwodu wtórnego jest uziemiony. Przekładniki w elektroenergetyce wykorzystuje się w układach automatyki zabezpieczeniowej oraz na potrzeby rozliczeń energii elektrycznej.
Transformatory probiercze: Czy dojdzie do przebicia?
Zanim zostanie wybudowana kolejna część infrastruktury elektroenergetycznej, przez którą popłynie prąd do odbiorców, konieczne jest wnikliwe przetestowanie wszystkich podzespołów tworzących tę infrastrukturę – nieważne, czy energia elektryczna pochodzi z elektrowni cieplnej, wiatrowej czy fotowoltaicznej. Prawidłowo działające generatory, transformatory i linie przesyłowe powinny być także wyposażone w odpowiedni zestaw izolatorów. Z tego względu układy elektroizolacyjne są przed opuszczeniem fabryki poddawane rygorystycznym testom pod kątem wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej. Przy testowaniu izolacji elektrycznej korzysta się z transformatorów probierczych, czyli transformatorów jednofazowych do testowania materiałów elektroizolacyjnych oraz komponentów z nich zbudowanych na wpływ napięć roboczych i zakłóceniowych przy częstotliwości sieciowej. Aby zwiększyć napięcie probiercze, do uzwojenia górnego napięcia podłącza się kaskadowo połączone kondensatory przystosowane do pracy na odpowiednio wysokich wartościach napięć.
Pod żółtą taśmą: transformatory impulsowe
Jeśli kiedykolwiek widziałeś wewnątrz zasilacz komputerowy, to bardzo możliwe, że zauważyłeś transformator, którego znakiem szczególnym jest żółta taśma izolacyjna na uzwojeniu. Najpewniej był to transformator impulsowy! Takie transformatory stosuje się w zasilaczach impulsowych i innych przekształtnikach energoelektronicznych, w których przełączanie prądów i napięć następuje z częstotliwościami rzędu kilkunastu tysięcy herców.
Transformator impulsowy przetwarza i dopasowuje poziom napięcia odpowiednio do aplikacji – w zależności od tego, czy chcesz obniżyć, czy podwyższyć napięcie. Ze względu na duże częstotliwości przełączania transformatory impulsowe wymagają stosowania rdzeni nanokrystalicznych, aby zminimalizować straty histerezy i prądów wirowych.
Po pierwsze bezpieczeństwo: transformatory separacyjne
Pod względem podstawowej budowy i zasady działania transformatory separacyjne nie różnią się w żaden sposób od zwykłych transformatorów spotykanych np. w zasilaczach liniowych, ale mają one szczególną cechę – ich przekładnia wynosi 1. Oznacza to, że na obwodzie wtórnym i pierwotnym napięcie jest takie samo. Takie transformatory stosuje się wszędzie tam, gdzie istnieje wzmożone ryzyko porażenia prądem elektrycznym, np. w wyniku zbyt dużej wilgotności powietrza. Kiedy odbiornik jest zasilany poprzez transformator separacyjny, w przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej prąd nie będzie miał zamkniętej drogi powrotnej. Aby spełnić to kryterium, transformatora separacyjnego nie wolno łączyć z uziemieniem, ponieważ w przypadku wystąpienia zwarcia doziemnego uszkodzony obwód zostanie zamknięty poprzez ciało człowieka do ziemi i w rezultacie może dojść do porażenia prądem elektrycznym. Podczas wykonywania prac warsztatowych przy elektronice, zwłaszcza przy napięciach na poziomie sieci NN i wyższych, ważne jest zachowanie podwyższonego bezpieczeństwa. W tym celu stosuje się również transformatory separacyjne, aby np. odizolować elektrycznie aparaturę pomiarową od testowanego układu. Szczególnie dotyczy to zabezpieczania oscyloskopów, w których masa jest fizycznie połączona z uziemieniem oscyloskopu.
Na jednym uzwojeniu: autotransformatory
Szczególnie ciekawym przypadkiem transformatorów są autotransformatory. Różnica względem klasycznego transformatora dwuuzwojeniowego polega na tym, że autotransformator ma jedno uzwojenie z odczepami i przełącznikiem zaczepów. Wadą takiego rozwiązania jest brak izolacji galwanicznej. Taki transformator ma jednak także bardzo ważną zaletę – pozwala na całkiem dokładne wyregulowanie napięcia przy niewielkiej przekładni. Autotransformatory stosuje się w elektroenergetyce przy transformacji najwyższych napięć (NN) na wysokie napięcia (WN). W takich konstrukcjach wykorzystuje się automatycznie sterowany przełącznik zaczepów w układzie Jansena, gdzie czas przeskoku pomiędzy pojedynczym zaczepem wynosi zaledwie równowartość pojedynczego okresu składowej podstawowej napięcia sieciowego (0,02 s dla częstotliwości 50 Hz). Spotykane są także autotransformatory laboratoryjne, gdzie regulacja odbywa się poprzez pokrętło sterujące położeniem szczotki węglowej. Co ciekawe, autotransformatora używał amerykański gitarzysta Edward Van Halen – zmieniając napięcie zasilania swojego lampowego wzmacniacza gitarowego, wpływał na brzmienie końcowe!
By dopasować impedancję: transformatory głośnikowe
Jest taka grupa wzmacniaczy elektroakustycznych, które oprócz transformatora zasilającego, ma także drugi transformator – dotyczy to wzmacniaczy lampowych, w których przynajmniej stopień mocy jest wykonany na lampach elektronowych. W takich wzmacniaczach konieczne jest zastosowanie transformatora głośnikowego. Jego zadaniem jest dopasowanie wysokiej impedancji wyjściowej stopnia mocy do niskiej impedancji głośnika. W takim transformatorze, dla wzmacniacza w topologii push-pull, uzwojenie po stronie lamp elektronowych ma wyprowadzony odczep środkowy, do którego jest podłączane napięcie zasilające anody lamp, z którymi są połączone skrajne końce uzwojenia transformatora. Natomiast drugie uzwojenie jest nawinięte grubszym drutem i ma mniej zwojów względem uzwojenia po stronie lamp – do tego uzwojenia są podłączane zaciski głośnika. W przypadku wzmacniaczy stereofonicznych konieczne jest zastosowanie dwóch transformatorów głośnikowych. Transformatory głośnikowe stosuje się także w radiowęzłach, aby zmniejszyć straty przesyłowe na przewodach połączeniowych pomiędzy wzmacniaczem a kolumnami głośnikowymi.
Bez iskry nie pojedziesz, a nawet nie skosisz trawy: cewki zapłonowe
Silniki benzynowe stanowią serce niejednego samochodu, motocykla czy kosiarki do trawy. W takich silnikach następuje zamiana energii cieplnej wydzielanej przy spalaniu mieszanki benzynowo-powietrznej na energię mechaniczną ruchu posuwisto-zwrotnego zespołu tłok-korbowód-ramię wykorbienia, czego efektem jest ruch obrotowy wału korbowego. Podczas pracy silnika tłokowego czterosuwowego raz na dwa obroty wału korbowego następuje zapłon mieszanki benzynowo-powietrznej. Aby to zjawisko nastąpiło, na krótko przed osiągnięciem przez tłok punktu GMP (górne martwe położenie), pomiędzy elektrody świecy iskrowej jest podawane wysokie napięcie powodujące przeskok iskry pomiędzy elektrodą centralną a boczną. Do wytworzenia wysokiego napięcia w układzie zapłonowym służy transformator zwany cewką zapłonową. Jego uzwojenie dolnego napięcia ma podawane napięcie w sposób impulsowy – dawniej poprzez przerywacz elektromechaniczny, a współcześnie przez tranzystor sterowany elektronicznie. Szybki zanik strumienia magnetycznego w rdzeniu takiego transformatora powoduje, że w jego uzwojeniu górnego napięcia pojawia się wystarczająco wysokie napięcie prowadzące do przebicia przerwy międzyelektrodowej – i dzięki temu silnik się nie zatrzymuje, a Ty możesz jechać dalej!
