Co to jest transformator?
Transformator jest urządzeniem elektrycznym przeznaczonym do zamiany układu napięć i prądów przemiennych na układ napięć i prądów o innych z reguły wartościach, lecz takiej samej częstotliwości. Zamiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego.
Podstawowa właściwością transformatora (wynika to z jego definicji) jest możliwość zmiany wartości napięcia i prądu w obwodzie prądu przemiennego.
Budowa transformatora
Każdy transformator składa się z trzech podstawowych elementów:
uzwojenia pierwotnego (zasilanego),
uzwojenia wtórnego (odbiorczego),
rdzenia ferromagnetycznego, na którym są umieszczone oba uzwojenia (w specjalnych zastosowaniach stosuje się transformatory bez rdzenia, tzw. transformatory powietrzne).
...
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.
W zasadzie działania transformatora wykorzystano szczególny przypadek zjawiska indukcji elektromagnetycznej - indukowanie napięcia w układzie nieruchomym.
Uzwojenie pierwotne jest zasilane ze źródła napięcia sinusoidalnego. Pod wpływem napięcia zasilającego w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd przemienny (sinusoidalny) 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 rozproszony pierwotny). Strumień główny sprzęgając się z uzwojeniem wtórnym i uzwojeniem pierwotnym indukuje w tych uzwojeniach siły elektromotoryczne zmieniające się tak jak strumień, a więc również sinusoidalnie.
Jeżeli do zacisków uzwojenia wtórnego przyłączymy jakikolwiek odbiornik, to w zamkniętym obwodzie tego uzwojenia popłynie prąd przemienny (sinusoidalny). 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.
Jak wynika z rozważań, 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.
Zadania transformatora
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.
Podział transformatorów
Podział ze wzglądu na sposób chłodzenia
Ze względu na sposób chłodzenia transformatory można podzielić na:
1. Transformatory olejowe - obwód magnetyczny wraz z uzwojeniami umieszczony jest w specjalnej, zamkniętej hermetycznie kadzi wypełnionej płynnym dielektrykiem tzw. olejem transformatorowy.
2. Transformatory suche - chłodzone powietrzem.
Ponieważ olej transformatorowy ma lepsze właściwości jako czynnik chłodzący niż powietrze - ma większą pojemność i przewodność cieplną - to transformatory olejowe budowane są na duże moce, zaś transformatory suche na średnie i małe moce.
Podział ze względu na liczbę uzwojeń
Ze względu na liczbę uzwojeń transformatory można podzielić na:
1. Dwuuzwojeniowe - posiadające dwa uzwojenia - jedno pierwotne
i jedno wtórne.
2. Trójuzwojeniowe - posiadające trzy uzwojenia - jedno pierwotne
i dwa wtórne.
3. Wielouzwojeniowe - posiadające jedno uzwojenie pierwotne i wiele uzwojeń wtórnych.
Podział ze wzglądu na zastosowanie
Ze względu na zastosowanie transformatory można podzielić na:
1. Transformatory energetyczne - stosowane przy przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej (zwane też transformatorami mocy).
2. Transformatory małej mocy - stosowane w urządzeniach elektrycznych
i elektronicznych automatyki, łączności i teletechniki.
3. Transformatory specjalne budowane dla różnych celów specjalnych, np. transformatory spawalnicze, piecowe, prostownikowe, bezpieczeństwa itd.
4. Autotransformatory - stosowane w energetyce, przy wąskim zakresie transformacji.
5. Przekładniki pomiarowe - stosowane do pomiaru napięć i prądów
w układach pomiarowych.
6. Transformatory probiercze - przeznaczone do wytwarzania wysokich napięć, stosowanych przy badaniu izolacji elektrycznej urządzeń elektrycznych,
Podział ze wzglądu na moc
Trudno jest jednoznacznie określić linię podziału pomiędzy transformatorami energetycznymi a transformatorami stosowanymi w układach zasilających urządzenia elektroniczne. Jako moc znamionową transformatora podaje się moc pozorną SN. Moc znamionowa daje informację o dopuszczalnym obciążeniu. Praca przy obciążeniu większym od znamionowego powoduje nadmierne nagrzanie spowodowane stratami w uzwojeniach i w rdzeniu, mogące doprowadzić w konsekwencji do uszkodzenia transformatora. Różnorodność zastosowań transformatorów pociąga za sobą bardzo duży zakres mocy. Największe transformatory energetyczne budowane są na moce rzędu 1 GVA i napięcia setek kV, najmniejsze zaś na moce mniejsze niż 1 VA.
Ze względu na moc, transformatory można podzielić na [19]:
1. Transformatory dużej mocy - zakres od 100 MVA do 1300 MVA i napięciu do 750 kV. Transformatory te są stosowane w elektrowniach do transformowania energii z napięcia generacji do wyższego napięcia linii przesyłowych.
2. Transformatory średniej mocy - zakres od 5 MVA do 100 MVA i napięciu do 245 kV.
3. Transformatory rozdzielcze żywiczne - zakres do 25 MVA i napięciu do 36 kV.
4. Stacje transformatorowe - zakres do 2500 kVA i napięciu do 36 kV,
5. Transformatory olejowe - zakres od 50 kVA do 2500 kVA,
6. Transformatory olejowe małej mocy - zakres od 1 kVA do 50 kVA,
7. Transformatory małej mocy - zakres od mniej niż 1 VA do 1000 VA
stosowane w układach zasilających urządzenia elektroniczne.
Schemat zastępczy transformatora (opis schematu)
Jednym z najczęściej stosowanych schematów transformatora jest ten, w którym zaznaczono prąd magnesujący transformatora Im1, reaktancję magnesowania Xm1, rezystancję rdzenia Rfe1 i przepływający przez nią prąd Ife. Rezystancje uzwojeń oznaczone są jako R1 i R2'. Siłę elektromotoryczną indukowaną w uzwojeniach transformatora przez strumień magnetyczny oznaczono przez E1, którego wartość jest równa E2'. Symbole ze znaczkiem prim to wielkości strony wtórnej transformatora sprowadzone do wielkości strony pierwotnej.
Tabliczka znamionowa
Dla użytkownika niezmiernie istotne są wielkości znamionowe. Wszystkie wielkości znamionowe są oznaczone ze wskaźnikiem N i uwidocznione na tabliczce znamionowej. Zgodnie z P-83/E-06040 na tabliczce znamionowej transformatora podaje się:
nazwę lub znak wytwórni,
rok produkcji,
typ transformatora wg oznaczeń wytwórcy,
numer fabryczny transformatora,
przepisy (numer normy), wg których transformator został wykonany,
dopuszczalną temperaturę otoczenia,
moc znamionową (moc pozorną w VA lub kVA),
napięcie znamionowe,
liczbę faz,
napięcie zwarcia,
prądy znamionowe,
częstotliwość,
straty w stali (jałowe)
straty w miedzi przy obciążeniu znamionowym (obciążeniowe),
stopień ochrony,
rodzaj chłodzenia,
klasę izolacji,
masę całkowitą,
grupę połączeń dla transformatorów wielofazowych.
Tabliczki znamionowe transformatorów małych mocy zawierają znacznie mniej danych, a często dodatkowo podaje się na nich liczbę zwojów w obu uzwojeniach.
Stany pracy transformatora
Transformator może się znajdować, w jednym z trzech charakterystycznych stanów pracy:
a. Stan jałowy:
Stan jałowy transformatora jest to taki stan, w którym uzwojenie pierwotne jest dołączone do źródła prądu przemiennego, a uzwojenie wtórne jest otwarte. Transformator w stanie jałowym nie jest obciążony a więc nie oddaje żadnej mocy (w uzwojeniu wtórnym nie płynie prąd).
b. Stan obciążenia:
Stan obciążenia transformatora to taki stan pracy, w którym uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a w obwód wtórny jest włączony odbiornik. W stanie obciążenia transformatora można wyznaczyć jego charakterystykę zewnętrzną oraz charakterystykę sprawności. Charakterystyką zewnętrzną transformatora nazywamy zależność napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego U2od prądu wtórnego I2 przy U1=U1zn=const, f=const, cosө2=const. Przykładowy przebieg tych charakterystyk przedstawiono na z którego wynika, że przy wzroście prądu I2, napięcie U2 maleje, przy czym spadek napięcia jest tym większy, im mniejszy jest współczynnik mocy odbiornika charakteru indukcyjnego. Dla odbiornika o charakterze pojemnościowym, przy wzroście prądu I2 wystąpiłby wzrost napięcia U2.
Zmianą napięcia przy określonym współczynniku mocy i określonym prądzie obciążenia, nazywa się spadek napięcia wtórnego przy przejściu od stanu jałowego do określonego obciążenia przy niezmienionym napięciu pierwotnym i stałej częstotliwości.
Sprawność transformatora można również wyznaczyć tzw. metodą strat poszczególnych. Moc czynna P1 pobierana przez uzwojenie pierwotne jest równa sumie mocy czynnej P2, oddawanej przez uzwojenie wtórne oraz stratom mocy; w uzwojeniach ΔPu (wyznaczonym w próbie zwarcia) oraz w rdzeniu ΔP0(wyznaczonym w próbie stanu jałowego).
Sprawność nowoczesnych transformatorów jest duża i zwykle przekracza 97%, w jednostkach wielkiej mocy dochodzi do 99%. Przykładowy przebieg krzywej sprawności przedstawiony jest na (Rys. 5.4). Krzywa sprawności ma pewne maksimum. Można dowieść, że maksimum to wystąpi wówczas, gdy straty w uzwojeniach są równe stratom w rdzeniu, tzn. straty obciążeniowe równe stratom jałowym. Najczęściej maksimum zachodzi przy obciążeniach (40...60) % znamionowego. Przy obciążeniu znamionowym, tzn. dla I2=I2zn, straty obciążeniowe są kilkakrotnie większe od strat jałowych.
c. Stan zwarcia:
Stanem zwarcia transformatora nazywamy taki stan, w którym do uzwojenia
pierwotnego jest doprowadzone napięcie zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte.
Straty
Jałowe - są stałe i niezależne od obciążenia. Występują w rdzeniu transformatora.
Obciążeniowe - suma strat podstawowych(spowodowane przepływem prądu przemiennego przez uzwojenia transformatora) i dodatkowych (spowodowane prądami wirowymi).
Podczas pracy transformatora rzeczywistego, czyli podczas przenoszenia energii z uzwojenia pierwotnego do wtórnego, tracona jest część mocy. Ma to miejsce w rdzeniu transformatora (tzw. straty w żelazie, wynikające z nagrzewania się rdzenia i zużywania mocy na magnesowanie rdzenia) oraz w uzwojeniu (tzw. straty w miedzi, wynikają z oporności materiału, z którego wykonane jest uzwojenie wtórne). Stosunek mocy po stronie wtórnej do mocy pobieranej przez transformator określa sprawność transformatora.
8