Spis treści:
Transformator - co to takiego?
Transformator to urządzenie elektryczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem tej samej częstotliwości. Zazwyczaj zmienia się wtedy również wartość napięcia elektrycznego (wyjątkiem jest transformator separacyjny, w którym napięcie nie ulega zmianie).
W artykule tym autor chciałby przedstawić podstawowe informacje o transformatorach, ponieważ są one niezbędnym elementem w przesyłaniu i dystrybucji energii elektrycznej, a ich prawidłowe działanie ma ogromne znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa i efektywności sieci elektroenergetycznych.
W opracowaniu skupimy się na rozważaniach dotyczących transformatorów jednofazowych. Zrozumienie zasady działania transformatorów pozwala lepiej kontrolować i optymalizować przepływ energii w sieciach elektroenergetycznych. Ze względu na bardzo duży zakres mocy obecnie produkowanych transformatorów mają one wiele zastosowań – od systemów elektroenergetycznych, aż po urządzenia domowego użytku, a także wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba zamiany wartości napięcia lub prądu.
Podział transformatorów
Transformatory ze względu na specyfikę budowy można podzielić na:
- energetyczne – używane w elektroenergetyce w procesach przetwarzania i dystrybucji energii elektrycznej,
- małej mocy – używane w układach zasilających urządzenia elektryczne,
- specjalne – dedykowane do konkretnych zastosowań, np. przekładniki pomiarowe.
Rodzaj
Symbol
Transformator jednofazowy
Autotransformator
Przekładnik napięciowy
Przekładnik prądowy
Budowa transformatora
Jak wspomniano istnieje szereg różnych transformatorów, jednak niezależnie od mocy transformatora jego zasada działania się nie zmienia. Każdy transformator składa się z:
- uzwojenia pierwotnego – stanowi jeden z dwóch obwodów elektrycznych transformatora,
- uzwojenia wtórnego – stanowi jeden z dwóch obwodów elektrycznych transformatora,
- rdzenia ferromagnetycznego – na którym uzwojenia są umieszczone i stanowi obwód magnetyczny transformatora służący do przewodzenia strumienia magnetycznego.
Uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne to uzwojenia, które są odseparowane galwanicznie, co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego między nimi, a energia jest przekazywana przez pole magnetyczne. Wyjątek stanowi autotransformator, w którym obydwa uzwojenia mają część wspólną. Transformator działa na bazie wykorzystania zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Uzwojenie pierwotne jest podłączone do źródła napięcia przemiennego, które powoduje w nim przepływ prądu przemiennego, który wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego.
Zmienny strumień magnetyczny zamyka się przez rdzeń i sprzęga z uzwojeniem wtórnym, który indukuje w nim siłę elektromotoryczną, która zmienia się tak, jak zmienia się strumień magnetyczny. Podczas przenoszenia energii z uzwojenia pierwotnego do wtórnego traci się część mocy.
Strona pierwotna transformatora to uzwojenie podłączone do źródła prądu przemiennego.
Strona wtórna transformatora to uzwojenie, do którego podłącza się odbiorniki.
Wielkości związane z stroną pierwotną transformatora nazywane zazwyczaj są wielkościami pierwotnymi (napięcie pierwotne U1, prąd pierwotny I1, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego N1), natomiast wielkości odnoszące się do uzwojenia wtórnego nazywane są wielkościami wtórnymi (napięcie wtórne U2, prąd wtórny I2, liczba zwojów uzwojenia wtórnego N2).
Transformatory można ze względu na wartość doprowadzonego napięcia do jednej z jego stron nazwać transformatorem podwyższającym napięcie (napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego) lub transformatorem obniżającym napięcie (napięcie wtórne jest niższe od pierwotnego). Dlatego też w transformatorach uzwojenie napięcia wyższego jest nazywane uzwojeniem górnym, a napięcia niższego – uzwojeniem dolnym. W związku z tym można również wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia górnego oznaczyć indeksem G (napięcie górne UG, prąd górny IG, liczba zwojów uzwojenia górnego NG), a wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia dolnego oznaczyć indeksem D (napięcie dolne UD, prąd dolny ID, liczba zwojów uzwojenia dolnego ND).
Każdy transformator posiada również ważne parametry, które są podawane na tabliczce znamionowej. Tabliczka znamionowa określa wartości parametrów, na które transformator został zaprojektowany i wykonany. W zależności od rodzaju (jednofazowy lub trójfazowy) i producenta transformatora tabliczki znamionowe mogą mieć różny wygląd i zawierać różne parametry.
Najważniejsze dane, które można odczytać z tabliczki znamionowej transformatora, to:
- moc znamionowa,
- napięcia znamionowe strony pierwotnej i strony wtórnej,
- prądy znamionowe strony pierwotnej i strony wtórnej,
- znamionowe straty w rdzeniu i uzwojeniach,
- znamionowe procentowe napięcie zwarcia,
- znamionowa częstotliwość,
- klasa izolacji,
- producent, seria i rok produkcji,
- na tabliczkach znamionowych transformatorów małej mocy podaje się liczbę zwojów w obu uzwojeniach.
Stany pracy w transformatorach
Głównym parametrem transformatora jest przekładnia transformatorowa określana wzorem:
Przekładnia transformatora określa jego zdolność do zmiany wartości napięcia (przekładnia napięciowa). Ma zawsze wartość większą lub równą 1.
W transformatorach można określić różne stany pracy:
- Stan jałowy transformatora to taki stan, w którym do uzwojenia pierwotnego jest podłączone napięcie zasilania, a obwód uzwojenia wtórnego pozostawiono otwarty.
- Stan obciążenia transformatora to stan, w którym do uzwojenia pierwotnego zostało podłączone napięcie zasilania, a do obwodu uzwojenia wtórnego jest podłączony odbiornik.
- Stan zwarcia transformatora to stan, w którym do uzwojenia pierwotnego podłącza się napięcie zasilania, a obwód uzwojenia wtórnego jest zwarty. Stan zwarcia transformatora jest stanem awaryjnym, jeżeli wystąpi podczas normalnej pracy przy pełnym napięciu zasilającym.
Funkcje transformatora
Oprócz zmiany wartości napięcia i prądu transformator może pełnić inne funkcje:
- umożliwia izolowanie od siebie obwodów elektrycznych – uzwojenie pierwotne podłączone do zasilania nie jest połączone z uzwojeniem wtórnym podłączonym do odbiornika,
- może odgrywać rolę filtra składowych stałych prądu i napięcia (nie przenosi na stronę wtórną napięcia i prądu stałego),
- włączony między źródło a odbiornik może ograniczać wartość prądu zwarcia.
Inne transformatory specjalne
- Autotransformator jest transformatorem specjalnym, w którym zastosowano tylko jedno uzwojenie spełniające jednocześnie funkcję uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Obie strony transformatora (pierwotna i wtórna) są połączone galwanicznie.
- Przekładniki to transformatory specjalnego przeznaczenia służące do obniżenia wartości prądu lub napięcia w celu wykonania pomiarów lub do galwanicznego oddzielenia obwodu pomiarowego od sieci wysokiego napięcia. Przekładniki stosuje się podczas pomiarów prądów, napięć, mocy i energii elektrycznej, a także w układach zabezpieczeń elektroenergetycznych, sterowania, regulacji i sygnalizacji w sieciach elektrycznych.
Podsumowując transformatory jednofazowe to urządzenia elektryczne używane do zmiany napięcia w obwodach jednofazowych. Są niezbędne do zasilania różnych urządzeń elektrycznych w gospodarstwach domowych i przemyśle. Dzięki nim można łatwo dostosować napięcie do wymagań urządzenia, maszyny lub konkretnego procesu. Transformatory są stosowane w różnych branżach i mają szerokie zastosowanie dlatego ważna jest podstawowa wiedza na ich temat.
