Transformator to urządzenie elektromagnetyczne służące do zmiany napięcia prądu przemiennego. Składa się z rdzenia magnetycznego, na którym nawinięte są dwa lub więcej uzwojeń. Zasada działania transformatora opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej.
Zmiana prądu w uzwojeniu pierwotnym wywołuje zmianę pola magnetycznego w rdzeniu. To zmienne pole magnetyczne indukuje siłę elektromotoryczną (SEM) w uzwojeniu wtórnym. Napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym jest proporcjonalne do liczby zwojów w tym uzwojeniu i odwrotnie proporcjonalne do liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym.
Transformatory są stosowane w elektroenergetyce do przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej na duże odległości. Umożliwiają one zmianę napięcia prądu przemiennego, co jest niezbędne do efektywnego przesyłu i użytkowania energii elektrycznej.
Krótki rys historyczny transformatorów
Pierwszy transformator został wynaleziony w 1831 roku przez Michaela Faradaya. Był to prosty prototyp, który działał na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. W 1885 roku William Stanley zbudował pierwszy praktyczny transformator, który mógł być stosowany w przemyśle. Wynalazek transformatora był przełomowym momentem w rozwoju elektroenergetyki. Umożliwił on budowę rozległych sieci energetycznych, które dostarczają energię elektryczną do domów i zakładów przemysłowych na całym świecie.
Budowa transformatora
Główne elementy transformatora:
- Rdzeń: Jest to najważniejszy element transformatora, wykonany ze specjalnego gatunku stali magnetycznej. Służy do przewodzenia strumienia magnetycznego pomiędzy uzwojeniami. Rdzeń transformatora składa się z cienkich blach stalowych, izolowanych od siebie warstwą lakieru lub papieru. Izolacja ta zapobiega powstawaniu prądów wirowych, które obniżają sprawność transformatora.
- Uzwojenia: Są to izolowane przewody miedziane lub aluminiowe nawinięte na rdzeń transformatora. Rozróżnia się dwa rodzaje uzwojeń:
- Uzwojenie pierwotne: Jest to uzwojenie, do którego doprowadzane jest napięcie prądu przemiennego. Zmiana prądu w tym uzwojeniu wywołuje zmianę pola magnetycznego w rdzeniu.
- Uzwojenie wtórne: Jest to uzwojenie, w którym indukowana jest siła elektromotoryczna (SEM). Napięcie indukowane w tym uzwojeniu jest proporcjonalne do liczby zwojów w tym uzwojeniu i odwrotnie proporcjonalne do liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym.
- Izolacja: Izolacja jest niezbędna do oddzielenia uzwojeń od siebie i od rdzenia transformatora. Zapobiega ona zwarciom i usterkom transformatora. Stosowane są różne rodzaje izolacji, takie jak izolacja papierowa, izolacja olejowa i izolacja żywiczna.
Rodzaje rdzeni transformatorów:
- Rdzeń ze stali laminowanej: Jest to najpopularniejszy typ rdzenia stosowany w transformatorach. Składa się on z cienkich blach stalowych, izolowanych od siebie warstwą lakieru lub papieru. Izolacja ta zapobiega powstawaniu prądów wirowych, które obniżają sprawność transformatora.
- Rdzeń toroidalny: Ten typ rdzenia jest stosowany w transformatorach małej mocy. Jest on bardziej zwarty i cichszy niż rdzeń ze stali laminowanej.
Rodzaje uzwojeń transformatorów:
- Uzwojenia warstwowe: W tym typie uzwojenia są nawinięte warstwa po warstwie na rdzeń transformatora.
- Uzwojenia koncentryczne: W tym typie uzwojenia są nawinięte jedno na drugie.
Zasada działania transformatora
Zasada działania transformatora opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Zjawisko to opisuje prawo Faradaya, które mówi, że w przewodniku elektrycznym nieizolowanym od zmiennego pola magnetycznego indukuje się siła elektromotoryczna (SEM) proporcjonalna do szybkości zmiany tego pola.
Kiedy prąd przemienny płynie przez uzwojenie pierwotne transformatora, wytwarza on zmienne pole magnetyczne. Pole magnetyczne to przenika przez rdzeń transformatora i dociera do uzwojenia wtórnego.
Zmienne pole magnetyczne przenikające przez uzwojenie wtórne wywołuje w nim siłę elektromotoryczną (SEM). Napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym jest proporcjonalne do liczby zwojów w tym uzwojeniu i szybkości zmiany pola magnetycznego.
Współczynnik transformacji (k) jest definiowany jako stosunek napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym (Uw) do napięcia przyłożonego do uzwojenia pierwotnego (Up):
k = Uw / Up
Współczynnik transformacji zależy od stosunku liczby zwojów w uzwojeniu wtórnym (Nw) do liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym (Np):
k = Nw / Np
Z powyższego wzoru wynika, że:
- Jeśli liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym jest większa niż liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym (Nw > Np), to napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym jest większe od napięcia przyłożonego do uzwojenia pierwotnego (Uw > Up). Jest to transformator podwyższający napięcie.
- Jeśli liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym jest mniejsza niż liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym (Nw < Np), to napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym jest mniejsze od napięcia przyłożonego do uzwojenia pierwotnego (Uw < Up). Jest to transformator obniżający napięcie.
Prąd w uzwojeniu wtórnym (Iw) jest odwrotnie proporcjonalny do współczynnika transformacji i prądu w uzwojeniu pierwotnym (Ip):
Iw = Ip / k
Oznacza to, że jeśli współczynnik transformacji jest większy (k > 1), to prąd w uzwojeniu wtórnym jest mniejszy niż prąd w uzwojeniu pierwotnym (Iw < Ip). Jest to typowe dla transformatorów podwyższających napięcie. Natomiast jeśli współczynnik transformacji jest mniejszy (k < 1), to prąd w uzwojeniu wtórnym jest większy niż prąd w uzwojeniu pierwotnym (Iw > Ip). Jest to typowe dla transformatorów obniżających napięcie.
Straty mocy w transformatorze
W transformatorach występują dwa główne rodzaje strat mocy:
Straty mocy w rdzeniu
- Prądy wirowe: Prądy wirowe to prądy indukowane w rdzeniu transformatora przez zmienne pole magnetyczne. Powodują one nagrzewanie się rdzenia i straty mocy. Straty mocy na prądy wirowe są proporcjonalne do kwadratu indukcji magnetycznej i częstotliwości prądu przemiennego.
- Histereza: Histereza to zjawisko występujące w materiałach ferromagnetycznych, polegające na tym, że indukcja magnetyczna nie jest proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego. Powoduje to straty mocy podczas przemagnesowywania rdzenia. Straty mocy na histerezę są proporcjonalne do częstotliwości prądu przemiennego i pętli histerezy materiału ferromagnetycznego.
Straty mocy w uzwojeniach
Uzwojenia transformatora wykonane są z przewodów miedzianych lub aluminiowych, które mają pewien opór rezystancji. Przepływ prądu przez uzwojenia powoduje nagrzewanie się ich i straty mocy. Straty mocy na rezystancji uzwojeń są proporcjonalne do kwadratu prądu płynącego przez uzwojenia.
Zdolność chłodzenia transformatorów
Straty mocy w transformatorach muszą być odprowadzane do otoczenia, aby zapobiec przegrzaniu się transformatora. Istnieje kilka sposobów chłodzenia transformatorów:
- Chłodzenie powietrzem: W transformatorach małej mocy stosuje się chłodzenie powietrzem. Powietrze przepływa przez żebra chłodzące rdzenia i uzwojeń, odprowadzając ciepło.
- Chłodzenie olejem: W transformatorach średniej i dużej mocy stosuje się chłodzenie olejem. Olej jest dobrym izolatorem i przewodnikiem ciepła. Przepływa on przez kanały w rdzeniu i uzwojeniach, odprowadzając ciepło do chłodnicy olejowej.
- Chłodzenie wodą: W transformatorach bardzo dużej mocy stosuje się chłodzenie wodą. Woda przepływa przez chłodnicę olejową, odprowadzając ciepło z oleju.
Rodzaj zastosowanego chłodzenia zależy od mocy transformatora i warunków otoczenia.