Budowa transformatora. Jego rola w systemie elektroenergetycznym

BUDOWA TRANSFORMATORA.
JEGO ROLA W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM

TRANSFORMATOR 1 FAZOWY

Transformatorem nazywamy urządzenie elektryczne służące do zamiany napięć i natężeń prądów przemiennych na zasadzie indukcji elektromagnetycznej (pola magnetycznego) bez udziału ruchu mechanicznego a częstotliwość zostaje ta sama.
Potrzeba takiej zmiany występuje w obwodzie prądu przemiennego zarówno w energetyce, przy przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej, jak też w zakładach przemysłowych i wielu urządzeniach powszechnego użytku (np. zasilacz z regulowanym napięciem, radioodbiornik itp.).

Ze względu na zastosowanie transformatory można podzielić na trzy podstawowe grupy:

1) Transformatory energetyczne - stosowane przy przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej
(zwane też transformatorami mocy)
2) Transformatory małej mocy - stosowane w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych
w automatyce, łączności, teletechnice.
3) Transformatory specjalne budowane dla różnych celów specjalnych, np. przekładniki pomiarowe
transformatory spawalnicze, probiercze, piecowe, prostownikowe,
bezpieczeństwa itd.

Najistotniejsze funkcje spełniają transformatory energetyczne. Dzięki nim energia elektryczna stała się bardziej dostępna, gdyż umożliwiły one przesyłanie dużych energii na wielkie odległości przy jak najmniejszych stratach. Konieczność stosowania transformatorów przy przesyłaniu energii wynika stąd, że tę samą moc można przesłać liniami energetycznymi przy małym napięciu i dużym prądzie lub przy dużym napięciu i małym prądzie.
Generatory w elektrowniach wytwarzają energię elektryczną o napięciu do 25 kV przy prądzie rzędu tysięcy amperów. Przesyłanie energii o takich parametrach byłoby związane z ogromnymi stratami, gdyż straty energii w linii są tym większe im większy przepływa przez nią prąd, dlatego też konieczne jest zmniejszenie prądu. Służy do tego transformator, który zmniejszając prąd jednocześnie podwyższa napięcie (transformator podwyższający). Natomiast w miejscu, gdzie są dołączone odbiorniki, należy obniżyć napięcie (zainstalować transformator obniżający), gdyż odbiorniki mają zawsze napięcia znamionowe mniejsze od napięć przesyłowych.
Z różnorodności zastosowań transformatorów wynika bardzo duży zakres mocy obecnie produkowanych jednostek. Największe transformatory energetyczne są budowane na moce rzędu 1 GVA i napięcia setek kilowoltów, najmniejsze zaś - stosowane w układach elektronicznych - na moc poniżej 1 VA i napięcia kilku woltów. Taka różnorodność zastosowań transformatorów oraz zakresu ich mocy i napięć pociąga za sobą różnorodność konstrukcji, zasada ich działania jest zawsze taka sama.

ZASADA DZIAŁANIA TRANSFORMATORA

Transformator składa się z obwodu magnetycznego oraz dwóch uzwojeń odseparowanych galwanicznie (nie połączonych metalicznie ze sobą) : to znaczy z
1-uzwojenia pierwotnego (zasilanego),
2-uzwojenia wtórnego (odbiorczego),
3-rdzenia , na którym są umieszczone oba uzwojenia
Rdzeń składa się z 2-kolumn i 2-jarzm, na kolumnach umieszczone są uzwojenia pierwotne i
uzwojenia wtórnego.
Zasadniczą częścią transformatora jest: rdzeń wykonany z materiałów ferromagnetycznych,
w postaci pakietu blach ze specjalnych gatunków stali elektrotechnicznej i nawinięte na nim uzwojenia. W obecnie budowanych transformatorach rdzeń wykonuje się z blachy elektrotechnicznej (z dodatkiem krzemu - 2,5?4,5%) walcowanej na zimno (tzw. blachy transformatorowej) o grubości około 0,3 mm z izolacją tlenkową. Dodatek krzemu oraz podział rdzenia na izolowane blachy, powodują zmniejszenie strat mocy czynnej w rdzeniu wskutek prądów wirowych. Konstrukcja rdzenia transformatora 1-fazowego najczęściej jest ramkowa.
Uzwojenia wykonane są z miedzi (rzadko z aluminium). Uzwojenia górnego napięcia nawijane są drutem okrągłym w izolacji emaliowanej (lub bawełnianej) lub profilowym w izolacji papierowej, a uzwojenia dolnego napięcia nawijane są najczęściej drutem profilowym w izolacji papierowej. Konstrukcja uzwojeń powinna zapewniać bardzo dobrą wytrzymałość izolacji oraz bardzo dobrą wytrzymałość zwarciową.
Uzwojenie zasilane z sieci nazywa się uzwojeniem pierwotnym, natomiast zasilające odbiornik nazywa się uzwojeniem wtórnym . Napięcia i prądy związane z uzwojeniem pierwotnym nazywamy pierwotnymi, a związane z uzwojeniem wtórnym nazywamy wtórnymi.

uzwojenie wtórne uzwojenie pierwotne uzwojenie wtórne uzwojenie pierwotne

rdzeń

A) B)

kolumna jarzmo kolumna jarzmo

Budowa transformatora jednofazowego A) rdzeniowego, B) płaszczowego

Uzwojenie pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne transformatora, a rdzeń jest obwodem magnetycznym. Uzwojenia nie są ze sobą połączone elektrycznie, a tylko sprzęgnięte strumieniem magnetycznym przenikającym rdzeń. Dzięki istnieniu obwodu magnetycznego, prawie cały strumień jest sprzęgnięty z obydwoma uzwojeniami transformatora. Niekiedy (bardzo rzadko) stosuje się transformatory bez rdzenia.
Uzwojenie pierwotne jest zasilane ze źródła napięcia przemiennego. Pod wpływem napięcia zasilającego w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd przemienny wywołując przepływ strumienia magnetycznego. Pod wpływem tego przepływu powstaje przemienny strumień magnetyczny, Znaczna część tego strumienia zamyka się przez rdzeń, a niewielka część zamyka się przez powietrze i jest skojarzona tylko z uzwojeniem pierwotnym. Strumień główny sprzęgając się z uzwojeniem wtórnym i uzwojeniem pierwotnym indukuje w tych uzwojeniach siły elektromotoryczne zmieniające się tak jak strumień.
Jeżeli do zacisków uzwojenia wtórnego przyłączymy jakikolwiek odbiornik, to w zamkniętym obwodzie tego uzwojenia popłynie prąd przemienny . Jednocześnie zmieni się wartość prądu uzwojeniu pierwotnym i strumienia wytwarzanego przez przepływ pierwotny.
Prąd wtórny wytworzy swój strumień. Od chwili , gdy płyną prądy w obu uzwojeniach, strumień magnetyczny zamykający się przez rdzeń jest strumieniem wypadkowym powstałym w wyniku działania dwóch przepływów - pierwotnego i wtórnego.

W ten sposób energia elektryczna dostarczona do uzwojenia pierwotnego przy napięciu pierwotnym i prądzie pierwotnym przetwarza się w energię elektryczną wydawaną z uzwojenia wtórnego przy napięciu i prądzie wtórnym.
Transformator może pracować tylko przy zasilaniu go ze źródła napięcia przemiennego, bo tylko ciągła zmienność w czasie napięć, prądów i strumieni jest podstawą do indukowania się napięcia.
Wszystkie linie przemiennego strumienia występującego w rdzeniu transformatora, sprzęgają się zarówno z uzwojeniem pierwotnym jak i uzwojeniem wtórnym. W obu uzwojeniach indukują się więc napięcia sił elektromotorycznych.
Siły elektromotoryczne zmieniają się sinusoidalnie. Wartości napięcia sił elektromotorycznych w obu uzwojeniach zależą od prędkości zmian strumienia magnetycznego, który te uzwojenia obejmuje. W każdym zwoju jednego lub drugiego uzwojenia powstaje taka sama siła elektromotoryczna, zatem wartość indukowanego napięcia w całym uzwojeniu zależy od liczby zwojów tego uzwojenia.

Oprócz podstawowego zadania (zmiana wartości napięcia i prądu), transformator może pełnić również inne funkcje:
Uzwojenia transformatora nie są ze sobą połączone galwanicznie, umożliwia to izolowanie od siebie obwodów elektrycznych. Jeżeli chcemy jedynie izolować od siebie pewne obwody elektryczne bez zmiany wartości napięcia i prądu, to wprowadzamy do układu transformator i jednakowej liczbie zwojów na obu uzwojeniach.
Transformator nie przenosi ze strony pierwotnej na wtórną składowych stałych prądu i napięcia i dlatego może służyć jako filtr do ich eliminacji, przy zachowaniu składowych przemiennych.
Z transformatorów można korzystać również wtedy, gdy chodzi o "dopasowanie" elementów obwodu w celu uzyskania optymalnych warunków.
Transformator jest czwórnikiem o pewnej impedancji. czwórnik taki można włączyć między źródło i odbiornik, np. w celu ograniczenia prądu zwarciowego.
Podstawowe określenia i wartości

Strona pierwotna transformatora jest to uzwojenie, które zasilamy ze źródła.
Strona wtórna transformatora jest to uzwojenie, do którego podłączamy odbiornik.
Wszystkie wielkości odnoszące się do strony pierwotnej (zasilanej) zawsze są oznaczane ze wskaźnikiem 1 i nazywane wielkościami pierwotnymi, np.:
napięcie pierwotne - U1, prąd pierwotny - I1, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego - N1
Wszystkie wielkości odnoszące się do uzwojenia wtórnego (odbiorczego) są oznaczane ze wskaźnikiem 2 i nazywane wielkościami wtórnymi, np.:
napięcie wtórne - U2, prąd wtórny - I2, liczba zwojów uzwojenia wtórnego - N2
Jeżeli napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, taki transformator nazywamy transformatorem podwyższającym. Jeżeli napięcie wtórne jest niższe od pierwotnego, to taki transformator nazywamy obniżającym. Z tego względu niezależnie od określeń pierwotne i wtórne stosuje się określenia górne i dolne.
Uzwojenie wyższego napięcia nazywa się uzwojeniem górnym, a wszystkie wielkości odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się górnymi i oznacza je wskaźnikiem g,
Uzwojenie niższego napięcia nazywa się uzwojeniem dolnym, a wszystkie wielkości odnoszące się do tego uzwojenia nazywa się dolnym i oznacza je ze wskaźnikiem d,
Tak więc napięcie pierwotne może być napięciem górnym lub dolnym i odwrotnie. Nie stosuje się jednocześnie wskaźników "pierwotne i wtórne" oraz "górne i dolne"


Podział transformatorów

Transformator sieciowy jest przykładem transformacji jednej wartości napięcia zmiennego na inną, np. 230 V na 11 V. Moc przenoszona przez transformator ulega zmniejszeniu o wartość strat. Ponieważ moc jest iloczynem wartości napięcia i natężenia prądu, więc w przykładowym transformatorze przy poborze 1 A po stronie wtórnej co najmniej 0,05 będzie przepływać po stronie pierwotnej.
Transformatorami pełnymi nazywamy transformatory z oddzielnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi. Posiadają one galwaniczne oddzielnie wejścia i wyjścia.
Transformator regulacyjny jest najczęściej odmianą autotransformatora, gdzie odczep uzwojenia wtórnego jest ruchomy, tak że napięcie w tym uzwojeniu można zmieniać. Jest on bardzo praktyczny w zastosowaniach laboratoryjnych, gdzie chcemy badać jak aparatura zachowuje się przy zmiennych napięciach zasilania.
Transformator separujący jest transformatorem dwuuzwojeniowym, którego używa się do zasilania urządzeń napięciem odizolowanym od podstawowej sieci zasilającej. W laboratoriach pomiarowych stosuje się go np. tam, gdzie nie można używać uziemionych wyjść sieciowych,
Transformator bezpieczny i pośredni do celów ochronnych używane, aby ograniczyć ryzyko porażenia prądem w urządzeniach elektrycznych i przedmiotach powszechnego użytku. Ograniczone napięcie wyjściowe, które może wynosić 12, 24, 42 i 115V w zależności od wymaganego zastosowania.
Transformatorem bezpiecznym nazywamy taki transformator, który posiada tzw. bezpieczne niskie napięcie pracy, najwyżej 50 V, transformator pośredni dla celów ochrony to taki, który dostarcza napięcia w zakresie pomiędzy 50 i 125 V.
Transformator dzwonkowy to transformator przeznaczony do dzwonków drzwiowych i podobnych zastosowań.
Transformatory małej częstotliwości (m.cz., akustyczne) spełniają zadania, które różnią się zasadniczo od zadań transformatorów sieciowych. Używa się ich przede wszystkim nie w celu transformatorowania wartości napięcia, ale do transformacji impedancji.
Transformator wyjściowy akustyczny jest bardzo krytycznym elementem. Stosuje się do budowy wzmacniaczy Hi - Fi i innych przyrządów w oparciu o lampy elektronowe.
Transformatory małych częstotliwości używa się np. w mikrofonach, w przetwornikach gramofonowych z ruchomą cewką oraz na wejściach wzmacniaczy.
Transformatory modemowe zapewniają galwaniczne odseparowanie modemu od sieci telefonicznej. Zbudowane są tak, aby spełniać normy stawiane przez przepisy telekomunikacyjne. Transformator prądowy zwany również przekładnikiem prądowym, stosuje się do pomiaru - za pośrednictwem pola magnetycznego - natężenia prądu płynącego przez przewód. Oznacza to, że obwód przepływu prądu nie musi być przerywany dla dokonania pomiaru. Transformatorów tych używa się np. w wyłącznikach różnicowo - prądowych.

Podsumowanie :
Transformatory spełniają ważna role w przemyśle i gospodarce bez nich nie funkcjonowało dużo firm które korzystają z różnych napięć , prądów, urządzeń elektrycznych, używane w miernictwie elektrycznym, w automatyce i elektronice. W wielu dziedzinach naukowych pomogły odkryciach.
Zastosowanie ich jest wszech stronne bez nich obecnie nie moglibyśmy się obejść.