Pobierz Transformatory - Notatki - Elektrotechnika i więcej Notatki w PDF z Elektrotechnika tylko na Docsity!
Transformatory
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. Zmiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego.
Podstawową właściwością transformatora jest więc możliwość zmiany wartość napięcia i prądu w obwodzie prądu przemiennego. Obecnie potrzeba takiej zmiany występuje zarówno w obwodzie prądu przemiennego zarówno w energetyce, m.in. przy przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej, jak też w zakładach przemysłowych i wielu urządzeniach powszechnego użytku (np. zasilacz z regulowanym napięciem, radioodbiornik itp.). Z tego wynika konieczność produkowania ogromnej liczby różnorodnych transformatorów.
Ze względu na zastosowanie transformatory można podzielić na trzy podstawowe grupy:
- Transformatory energetyczne - stosowane przy przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej (zwane też transformatorami mocy)
- Transformatory małej mocy - stosowane w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych w automatyce, łączności, teletechnice.
- Transformatory specjalne budowane dla różnych celów specjalnych, np. przekładniki pomiarowe, transformatory spawalnicze, probiercze, piecowe, prostownikowe, bezpieczeństwa itd.
Najistotniejsze funkcje spełniają transformatory energetyczne. To 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 pozorną S można przesłać liniami energetycznymi przy małym napięciu U 1 i dużym prądzie I 1 lub przy dużym napięciu U 2 i małym prądzie I 2.
Generatory w elektrowniach wytwarzają energię elektryczną o napięciu nie przekraczającym 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.
Transformatory są stosowane nie tylko w energetyce zawodowej, lecz wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba zmiany wartości napięcia lub prądu w obwodach prądu przemiennego.
Z różnorodności zastosowań transformatorów wynika bardzo duży zakres mocy obecnie produkowanych jednostek. Największe na świecie 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, jednak zasada ich działania jest zawsze taka sama.
Zasada działania 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.
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
napięcie dolne - Ud , prąd dolny - I (^) d , liczba zwojów uzwojenia dolnego - Nd itd.
Tak więc napięcie pierwotne może być napięciem górnym lub dolnym i odwrotnie. Nie stosuje się jednocześnie wskaźników "pierwotne i wtórne" oraz "górne i dolne".
Zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami, literami dużymi oznacza się wartości skuteczne napięć, prądów i strumieni, a literami małymi wartości chwilowe. Wskaźnik m przy dużej literze oznacza wartość maksymalną tej wielkości.
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.
Jako moc znamionową transformatora podaje się moc pozorną S (^) N , a nie moc czynną PN , jak np. dla silników, grzejników itp. Moc znamionowa daje informację użytkownikowi o dopuszczalnym obciążeniu. Praca przy obciążeniu większym od znamionowego powoduje nadmierne nagrzanie, mogące doprowadzić w konsekwencji do awarii. Transformator nagrzewa się głównie wskutek strat w uzwojeniach zależnych od prądu oraz strat w stali zależnych w przybliżeniu od napięcia. Parametrami miarodajnymi dla nagrzania są zatem wartości napięcia UN i prądu I (^) N , praktycznie niezależnie od kąta przesunięcia fazowego między nimi. O nagrzaniu transformatora decyduje więc moc zależna tylko od wartości napięcia i wartości prądu, a niezależna od współczynnika mocy; mocą tą jest moc pozorna S (^) N = UN I (^) N
Napięcie znamionowe transformatora określa się w stanie jałowym, czyli przy prądzie obciążenia równym zeru. Jeżeli transformator nie jest obciążony, a jest zasilany z sieci o
napięciu znamionowym, czyli U 1 = U1N , to napięcie strony wtórnej tego transformatora w stanie jałowym będziemy nazywać napięciem znamionowym, czyli gdy I 2 = 0, to U 20 = U2N.
Przekładnia transformatora (zgodnie z normą) jest to stosunek napięcia górnego do napięcia dolnego mierzonych na zaciskach transformatora będącego w stanie jałowym.
Często w odniesieniu do przekładni transformatora jest używane określenie, przekładnia napięciowa. Przekładnia jest parametrem transformatora, określającym jego zdolność do zmiany wartości napięcia. Przekładnia ma zawsze wartość większą od 1, zwykle mówi się więc: transformator podwyższający (lub obniżający) o przekładni 10. Oznacza to, że stosunek napięć występujących jednocześnie na zaciskach uzwojeń transformatora w stanie jałowym jest w przybliżeniu równy stosunkowi liczb zwojów. Aby określić przybliżoną zależność między prądami obu uzwojeń, należy skorzystać z zasady zachowania mocy. Dla uproszczenia pominiemy wszystkie straty mocy czynnej i mocy biernej.
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.
Transformator jest obliczany na pewną maksymalną moc, której nie wolno przekraczać. Oznacza to, że rezystancje uzwojeń muszą być wystarczająco niskie, aby nie dawały zbyt dużych spadków napięcia. Oznacza to także, że rdzeń transformatora musi mieć wystarczającą wielkość aby nie był nasycany. Wielkość ta decyduje nie tylko o przenoszonej mocy, ale również o częstotliwości pracy. Ogólnie, im mniejsza częstotliwość przenoszona, tym większy rdzeń jest niezbędny.
Rdzeń nie może stanowić jednolitej masy, ponieważ prądy wirowe, które w takim przypadku powstają, powodują duże straty. W związku z tym używa się blach transformatorowych, które są układane w pakiet blaszek, wzajemnie od siebie odizolowanych. Są one często wycinane w formie liter E i I. Tworzą w ten sposób rdzeń EI, w którym uzwojenie umieszczone jest w środku, aby uzyskać możliwie duże pole magnetyczne.
W pewnych zastosowaniach strumień rozproszenia może być krytyczny. Dotyczy to np. wzmacniaczy Hi - Fi i urządzeń pomiarowych, w których pole indukuje przydźwięk sieci. W takich wypadkach lepszym rozwiązaniem są transformatory o rdzeniu toroidalnym, ponieważ dają one bardzo małe rozproszenie. Właściwością rdzeniu toroidalnych jest to, że prądy załączenia są większe niż w transformatorach o rdzeniu IE. Przenoszą one również, w dużo większym stopniu, zakłócenia sieciowe. Rdzenie toroidalne używane są rzadko do mocy powyżej 500 VA.
Transformatorami pełnymi nazywamy transformatory z oddzielnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi. Posiadają one galwaniczne oddzielnie wejścia i wyjścia.
Autotransformatory mają wspólne uzwojenie pierwotne i wtórne. Dlatego ten typ transformatorów nie posiada oddzielenia galwanicznego między wejściem i wyjściem, ale może być używany zarówno do transformacji napięć w górę jak i w dół. Ze względu na
przesunięć fazowych. Oznacza to w praktyce, że muszą one przenosić jeszcze szerszy zakres częstotliwości. Dlatego jest znacznie trudniej skonstruować i zbudować transformator małej częstotliwości, niż transformator sieciowy, który musi funkcjonować dobrze tylko przy jednej częstotliwości.
Transformator wyjściowy akustyczny jest bardzo krytycznym elementem. Obecnie znowu stało się to aktualne w związku z tendencją budowy wzmacniaczy Hi - Fi i innych przyrządów w oparciu o lampy elektronowe. Lampy powinny być obciążane optymalną impedancją wynikającą z ich charakterystyk. Chodzi tu o impedancję rzędu wielu kohm, która przy pomocy transformatora dopasowywana jest do niskiej impedancji głośnika. Ta wysoka impedancja oznacza wiele zwojów uzwojenia pierwotnego, posiadających określoną pojemność. W celu uniknięcia rezonansu, który przypada w pobliżu zakresu tonów słyszalnych, staramy się utrzymać tę pojemność na jak najniższym poziomie, poprzez nawijanie transformatora sekcjami: na przemian sekcje uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Poprawia to również stopień sprzężenia między uzwojeniami. Czasami stosuje się specjalne stopy na rdzeń, aby straty były jak najniższe.
Transformatory małych częstotliwości używa się np. w mikrofonach, w przetwornikach gramofonowych z ruchomą cewką oraz na wejściach wzmacniaczy. Również tu istnieje wymaganie dużej szerokości pasma. Szczególnie ważne jest aby transformator znajdujący się na początku łańcucha wzmacniającego był jak najlepiej zaekranowany przeciwko polu wytwarzanemu przez sieć energetyczną. Bardzo efektywne ekranowanie dają tzw. mumetale.
Transformatory modemowe zapewniają galwaniczne odseparowanie modemu od sieci telefonicznej. Zbudowane są tak, aby spełniać normy stawiane przez przepisy telekomunikacyjne. Należy zwrócić uwagę, że normy te mogą znacznie różnić się w różnych krajach. W Szwecji wystarczy np. wytrzymałość napięciowa 2,5 kV, a w innych, np. w Wielkiej Brytanii i w Niemczech, wymaga się 4 kV.
Transformator częstotliwości pośrednich składa się z dwóch połączonych stopni rezonansowych. Jest on skonstruowany na pewne częstotliwości pracy np. 455 kHz (AM) lub 10,7 MHz (FM), które mogą być dostrojone przy pomocy ruchomych rdzeni. Przy AM, SSB, i CW pożądane jest by pasmo było możliwie wąskie, tzn. by wartość Q była jak największą, podczas gdy transformatory dla radia FM powinny mieć szerokość pasma ok 250 kHz, dla uniknięcia zniekształceń. W tunerach Hi - Fi wymagana jest najczęściej większa szerokość pasma gdyż chcemy mieć jak najniższe zniekształcenia, podczas gdy w radiu samochodowym możemy tolerować większe zniekształcenia, dla uzyskania w zamian większej czułości i selektywności.
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.
Budowa transformatorów małej mocy
Rdzenie transformatorów małej mocy wykonuje się z materiałów magnetycznie miękkich, które można podzielić na trzy podstawowe grupy:
blachy żelazo - krzemowe walcowane na zimno i na gorąco, blachy ze stopów żelazo - niklowych lub żelazo - kobaltowych,
ferryty - najczęściej manganowo - cynkowe i niklowo - cynkowe.
Blachy i taśmy są produkowane o grubości od 0,1 do 0,35 mm. Ferryty (stopy niemetaliczne) są stosowane do budowy rdzeni transformatorów pracujących w szerokim zakresie częstotliwości.
Rdzenie (często nazywane magnetowodami) transformatorów małej mocy mogą mieć kształt:
Kwadratowy lub prostokątny - rdzenie kształtkowe ...
Blachy, z których składa się rdzenie, są dwustronnie izolowane przez pokrycie warstwą tlenków lub lakierów izolacyjnych. Po złożeniu rdzenia nakłada się na niego obejmę, która ma na celu wzmocnienie konstrukcyjne transformatora.
Zbliżony do prostokąta - rdzenie zwijane
Rdzenie zwijane (cięte rdzenie taśmowe) uzyskuje się zwijając taśmę magnetyczną na zasadzie sprężyny zegarowej. Rdzenie te zwija się na odpowiednich szablonach, następnie wyżarz i klei, a wreszcie przecina. Otrzymane dwie połówki rdzenia umożliwiają oddzielne nawijanie uzwojeń na korpusach, do których jest następnie wkładany rdzeń i ściskany przez obejmę i obudowę.
Okrągły - rdzenie ferrytowe
Transformatory o rdzeniach pierścieniowych (okrągłych) nie mają szczeliny, a więc rozproszenie jest bardzo małe, dzięki czemu straty są ograniczone do minimum. W transformatorach tego typu uzwojenie jest nawijane bezpośrednio na rdzeń, co wiąże się z trudnościami przy uzwajaniu.
Uzwojenia transformatorów małej mocy wykonuje się z drutu miedzianego (znaczeni rzadziej aluminiowego) o przekroju kołowym. Drut ten pokrywa się materiałami izolacyjnymi, najczęściej emalią lub coraz powszechniej stosowanymi żywicami syntetycznymi: poliestrowymi i epoksydowymi. W przypadku, gdy są wymagane małe straty w uzwojeniach, używane są druty nawojowe w izolacji: emalia-jedwab. Uzwojenia wykonuje się na nawijarkach, przez zawijanie drutu na tzw. korpus (karkas). Korpusy są wykonywane z papieru bakelizowanego, tkaniny bakelizowanej (korpusy składane) albo z tworzyw termoutwardzalnych lub termoplastycznych (korpusy prasowane). Każdą warstwę uzwojenia izoluje się (izolacja międzywarstwowa) najczęściej papierem kondensatorowym, często nasyconym impregnatem, lub ceratką izolacyjną. Uzwojenie dolne i górne również przedziela się warstwą izolacji (izolacja międzyuzwojeniowa) - może tu być stosowany również papier nasycany, ceratka lub tkanina bakelizowana czy szklana. Wykonane uzwojenie izoluje się (tzw. izolacja główna) najczęściej żywicą utwardzalną.
