Rys. 6
Transformator składa się w swojej najprostszej formie z żelaznego rdzenia z nawiniętymi dwoma uzwojeniami, które są ze sobą sprzężone magnetycznie. Sprzężenie oznacza, że pole magnetyczne wytworzone w jednym uzwojeniu obejmuje uzwojenie drugie. Do działania wykorzystuje on zjawisko indukcji wzajemnej. Polega ona na tym, że zmiany prądu w uzwojeniu pierwotnym (z1) wywołują zmiany pola magnetycznego (strumienia φ), które powodują indukowanie się siły elektromotorycznej samoindukcji. W uzwojeniu wtórnym (z2) indukuje się natomiast siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej (u2). Wartości indukowanych sił są zależne od liczby zwojów poszczególnych uzwojeń oraz od szybkości zmian strumienia. Ilustruje to rysunek 6. O ile prąd w uzwojeniu pierwotnym ma kształt sinusoidy, również strumień magnetyczny (za pośrednictwem którego zostaje przeniesiona energia) w rdzeniu będzie się zmieniał według tej krzywej. Zmiany strumienia indukują w uzwojeniu wtórnym napięcie również o kształcie sinusoidy. W przypadku, gdyby strumień nie zmieniał się w czasie, to napięcie w uzwojeniu wtórnym nie mogłoby być indukowane. Inaczej mówiąc - transformator nie przenosi prądu stałego.
Z tego prostego opisu widzimy, ze transformator ma dwa zadania:
· Przeniesienie napięcia zmiennego z uzwojenia pierwotnego do wtórnego, przy jednoczesnym oddzieleniu galwanicznym strony pierwotnej od wtórnej.
· Transformacja napięcia zmiennego na napięcie o takim samym przebiegu czasowym (w czasie transformacji zmieniają się wartość prądu i napięcia, a częstotliwość i moc pozorna (w idealnym transformatorze) pozostaje bez zmian).
Najważniejsze parametry transformatorów:
· Moc znamionowa: jest najbardziej charakterystycznym parametrem transformatorów. Jest to maksymalna moc jaką można przenieść z uzwojenia pierwotnego do wtórnego. Jest ona ograniczona przede wszystkim przekrojem rdzenia oraz średnicami drutów nawojowych obu uzwojeń. Najczęściej jest ona podawana na obudowie transformatora w watach [W] lub woltamperach [VA]. Przekroczenia maksymalnej mocy przepustowej powoduje silne nagrzewanie się transformatora, a nawet jego przepalenie
· Napięcie pierwotne: to napięcie uzwojenia pierwotnego na jakie zostało ono przewidziane przez producenta. Typowo jest to 220V, lecz spotyka się również 110V, 360V i inne. Przekroczenie tego napięcia prowadzi z reguły do spalenia uzwojenia pierwotnego, przy zaniżonym napięciu transformator może pracować dowolnie długo (oczywiście zmieni się wtedy również napięcie wtórne).
· Z uzwojeniem pierwotnym związany jest również prąd jałowy transformatora. Jest to prąd jaki płynie przez uzwojenie pierwotne przy nieobciążonym transformatorze. Dla transformatorów o mocach do ~100W prąd ten jest w granicach 10-200mA.
· Napięcie wtórne: jest to napięcie, jakie możemy uzyskać w uzwojeniu wtórnym przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego napięciem znamionowym. Podawane jest zazwyczaj napięcie przy znamionowym obciążeniu, oznacza to że transformator nieobciążony ma napięcie wtórne wyższe od danego.
· Sprawność transformatora: jest stosunkiem mocy po stronie wtórnej do mocy pobieranej przez transformator. Jest to więc parametr charakteryzujący straty jakie występują w tym elemencie. Sprawność dla transformatorów małej mocy jest rzędu 80% i rośnie z mocą transformatora, dla mocy 100W wynosi ona już ~95%.
· Ważnym parametrem jest również rodzaj rdzenia jaki posiada transformator. Aby wyeliminować wpływ pola magnetycznego wytwarzanego przez transformator, umieszcza się je często w ekranach z blachy stalowej. Rdzenie transformatorów wykonuje się z różnych materiałów, zależnie od zakresu częstotliwości w jakiej mają pracować. Przy częstotliwościach do kilku kHz stosuje się blachy ze stali krzemowej, przy wyższych częstotliwościach zastępuje się ją materiałami zwanymi ferrytami, (są to spieczone tlenki metali). Spowodowane jest to bardzo dużymi stratami na prądy wirowe w stali przy dużych częstotliwościach. Coraz częściej stosuje się rdzenia toroidalne (przy niskich i wysokich częstotliwościach) ze względu na ich zalety, bardzo małe straty oraz prawie brak pola rozproszenia.
· Przy transformatorach głośnikowych podaje się indukcyjność uzwojenia pierwotnego, od której zależy minimalna przenoszona częstotliwość, natomiast indukcyjność rozproszenia i pojemność własna mają wpływ na maksymalną częstotliwość.
· Przekładnia impedancyjna: jest to parametr charakteryzujący transformatory m. cz.
· Przekładnia zwojowa: stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego do wtórnego.
· Przekładnia napięciowa: stosunek wartości napięcia pierwotnego i wtórnego.
· Przekładnia prądowa: stosunek prądów przepływających przez uzwojenia (w stanie zwarcia lub obciążenia).
Między przekładniami: zwojową, napięciową i prądową zachodzi następująca zależność: U1/U2=I2/I1=N1/N2 gdzie: U1 – to napięcie pierwotne, U2 – to napięcie wtórne, I1 – prąd przepływający przez uzwojenie pierwotne, I2 – prąd przepływający przez uzwojenie wtórne (w stanie zwarcia lub obciążenia), N1 – liczba zwojów uzwojenia pierwotnego, N2 – liczba zwojów uzwojenia wtórnego.
Natomiast między przekładnią zwojową i impedancyjną zachodzi inna zależność: Z1/Z2=N12/N22 gdzie:Z1 – to impedancja wejściowa, Z2 – to impedancja wyjściowa, N1 i N2 – jak wyżej.
Rys. 7
Transformator na schematach ideowych jest zazwyczaj przedstawiany jak na rysunku 7. Natomiast jego schemat zastępczy (wraz z opornościami własnymi uzwojeń i pojemnościami pasożytniczymi) przedstawia rysunek 8.
Ogólna zasada działania:
Rys. 8
W poprawnie działającym transformatorze obwód elektryczny współdziała z obwodem magnetycznym. Elementami obwodu elektrycznego są uzwojenia - pierwotne i wtórne - oraz przewody doprowadzające, do elementów obwodu magnetycznego można zaliczyć rdzeń i szczeliny powietrzne. Rdzeń transformatora wykonuje się jako pakiet blach wzajemnie od siebie odizolowanych. Właściwy montaż blach i dobre ściśnięcie pozwala na ograniczenie szumów i brzęczeń w czasie pracy transformatora, powodowanych głównie zjawiskiem magnetostrykcji. Ze sposobów wykonania obwodu magnetycznego należy wyróżnić dwa typowe kształty: rdzeniowy i płaszczowy. Uzwojenia transformatora rdzeniowego umieszczone są na słupach (kolumnach), połączonych między sobą jarzmami. Przestrzeń ograniczoną słupami i jarzmami określa się mianem okien transformatora. Wielkość okien uzależniona jest od liczby zwojów oraz przekrojów przewodów w uzwojeniach. Uzwojenia jednofazowego transformatora płaszczowego - zarówno górne jak i dolne - umieszczone są na wspólnym środkowym słupie. Przekrój tego słupa może być dwukrotnie większy niż przekrój pozostałych słupów.
Przy łączeniu jarzma z kolumną powstaję szczelina powietrzna. Wymiary szczeliny powinny być jak najmniejsze, a zależą one od sposobu wykonania połączenia. Stosowane są dwa sposoby łączenia słupa z jarzmem - na styk lub wplatanie na zakładkę. Przy układaniu stosuje się przekładki zapobiegające zwarciu blach, które może być przyczyną nadmiernego lokalnego nagrzewania. Jeżeli rdzeń wykonany jest z blach anizotropowych ( wykazujących większą przewodność magnetyczną i mniejsze straty w jednym kierunku) to należy - w miarę możliwość - unikać ułożenia w którym linie pola magnetycznego będą biegły prostopadle do kierunku większej przewodności. Montaż rdzenia w kadzi transformatora może odbywać się od góry lub wciągnięciu z boku po zdjęciu pokrywy ze ściany bocznej
Wymiary największych transformatorów ograniczone są stałymi kolejowymi, ważnymi przy transporcie, dlatego często stosuje się grupę trzech transformatorów jednofazowych w zamian jednego transformatora trójfazowego. Połączenia elektryczne z siecią lub urządzeniami zewnętrznymi realizowane jest za pomocą przewodów umieszczonych w izolatorach przepustowych. Konstrukcja izolatorów zależy od typu transformatora i napięcia roboczego. Transformatory wysokiego napięcia czyli te, które pracują w podstacjach i elektrowniach, umieszczane są w szczelnych obudowach i zalewane olejem transformatorowym. Olej ten bardzo dobrze odprowadza ciepło, uniemożliwiając przegrzanie takiego transformatora.
Podział transformatorów:
· Transformator sieciowy: jest przykładem transformacji jednej wartości napięcia zmiennego na inną (np. 230V na 11V). Moc przenoszona przez transformator ulega zmniejszeniu o wartość strat. Ponieważ moc jest iloczynem wartości napięcia i natężenia prądu, wiec w przykładowym transformatorze przy poborze 1A po stronie wtórnej, co najmniej 0,05A będzie przepływać po stronie pierwotnej.
· Transformatorem pełnym: nazywamy transformator z oddzielnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi. Posiadają one galwaniczne oddzielnie wejścia i wyjścia.
· Autotransformator: ma wspólne uzwojenie pierwotne i wtórne. Dlatego ten typ transformatorów nie posiada oddzielenia galwanicznego miedzy wejściem i wyjściem, ale może być używany zarówno do transformacji napięć w górę, jak i w dół. Ze względu na ścisłe sprzężenie między uzwojeniami i fakt, że uzwojenie zajmuje mniej miejsca, ten typ transformatora posiada mniejsze wymiary, niż porównywalny transformator dwuuzwojeniowy.
· 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 regulacyjny produkowany może być również w wersji dwuuzwojeniowej, czyli jako pełny transformator.
· 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, ponieważ wtedy otrzyma się pętle uziemień, które mogą mieć wpływ na wynik pomiarów. Bieguny sieci maja jak wiadomo 230V i 0V w stosunku do ziemi. Uzwojenie wtórne transformatora separującego można pozostawić nieuziemione i w takim wypadku nie daje ono napięcia w stosunku do ziemi (napięcie wtórne pozostanie "pływające") To pływające napięcie zmniejsza zasadniczo ryzyko dla osób pracujących w laboratorium. Transformator może być wyposażony w ekran pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, aby zapobiec zakłóceniom przenoszonym pojemnościowo.
· Transformator bezpieczny i pośredni do celów ochronnych: winny być używane, aby ograniczyć ryzyko porażenia prądem w urządzeniach elektrycznych i przedmiotach powszechnego użytku. Transformatory te musza mieć zapewniona izolacje pomiędzy strona pierwotną i wtórną, a także 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 24V, 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. Może mieć on wartość prądu zwarciowego najwyżej 10 A, aby uniknąć ewentualnego uszkodzenia przewodów dzwonkowych, które mogą przenosić tylko krótkotrwale obciążenia.
· Transformator m. cz. (akustyczny): spełnia zadania, które różnią się zasadniczo od ządań transformatorów sieciowych. Używa się ich przede wszystkim nie w celu transformowania wartości napięcia, ale do transformacji impedancji. Używane są do dopasowywania impedancji pomiędzy np. dwoma stopniami wzmacniacza lub też do dopasowania impedancji miedzy wzmacniaczem i głośnikiem. Transformatory malej częstotliwości do zastosowań Hi - Fi musza przenosić cały zakres częstotliwości akustycznych 20 Hz do 20 kHz bez zmian w tłumieniu i bez większych przesunięć fazowych. Oznacza to w praktyce, ze musza 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 wynikająca z ich charakterystyk. Chodzi tu o impedancje rzędu wielu kW, która przy pomocy transformatora dopasowywana jest do niskiej impedancji głośnika. Ta wysoka impedancja oznacza wiele zwojów uzwojenia pierwotnego, posiadających określona pojemność. W celu uniknięcia rezonansu, który przypada w pobliżu zakresu tonów słyszalnych, staramy się utrzymać te pojemność na jak najniższym poziomie, poprzez nawijanie transformatora sekcjami: na przemian sekcje uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Poprawia to również stopień sprzężenia miedzy uzwojeniami. Czasami stosuje się specjalne stopy na rdzeń, aby straty były jak najniższe.
· Transformator modemowy: zapewnia galwaniczne odseparowanie modemu od sieci telefonicznej. Zbudowane są tak, aby spełniać normy stawiane przez przepisy telekomunikacyjne. Należy zwrócić uwagę, ze normy te mogą znacznie różnic 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 największa, 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, ze obwód przepływu prądu nie musi być przerywany dla dokonania pomiaru. Transformatorów tych używa się np. w wyłącznikach różnicowo - prądowych.
Zasadniczymi elementami konstrukcyjnymi transformatorów są: rdzeń (magnetowód), uzwojenia nawinięte drutem izolowanym (najczęściej miedzianym, lakierowanym), korpus z materiałów izolacyjnych (preszpan oraz tworzywa sztuczne) i części pomocnicze, takie jak np. płytki z zaciskami. Rdzenie wykonuje się z materiałów ferromagnetycznych zapewniających dużą indukcyjność, dużą przenikalność dla zmiennych pól magnetycznych i małe straty. W celu zmniejszenia strat do ferromagnetyka dodaje się krzem. Oraz odizolowuje się od siebie blachy rdzenia. W transformatorach zasilających dla małej częstotliwości najczęściej stosuje się rdzenie z blach i taśm. W transformatorach wysokiej częstotliwości (teletransmisyjnych i transformatorach wyjściowych miniaturowych) stosuje się stopy żelazo-niklowe zwane inaczej permalojami. W transformatorach pracujących w zakresie wielkich częstotliwości i przy szybkich impulsach wykorzystywane są rdzenie z magnetycznych materiałów proszkowych (ferrytów).
Rodzaje kształtek:
a) rdzeń taśmowy typu C (zwijany); b) rdzeń z blach kształtowych El; c) rdzeń z blach kształtowych UI; d) rdzeń M; e)rdzeń ferrytowy zamknięty prostokątny; f)rdzeń pierścieniowy;
a) b) c)
...
neo666x