Transformator - budowa, działanie, parametry, rodzaje, zastosowanie

Transformator to urządzenie elektryczne, które umożliwia zmianę napięcia prądu przemiennego (AC) bez zmiany częstotliwości. Jest powszechnie stosowany w systemach energetycznych, elektronice i innych dziedzinach przemysłu oraz w różnych dziedzinach życia codziennego, pełniąc podstawową rolę w przesyłaniu i dystrybucji energii elektrycznej.

Czym jest transformator?

Budowa transformatora

Podstawowa budowa transformatora obejmuje następujące elementy:

1. rdzeń magnetyczny, który jest wykonany z cienkich, izolowanych blach stalowych o wysokiej przenikalności magnetycznej, który zapewnia drogę dla strumienia magnetycznego i minimalizuje straty energii.

2. uzwojenia, które są wykonane z miedzi lub aluminium i izolowane, aby zapobiec zwarciom. Są to:

   • uzwojenie pierwotne, które podłączone jest do źródła napięcia zmiennego, generując zmienne pole magnetyczne,
   • uzwojenie wtórne, które odbiera energię z pola magnetycznego, wytwarzając napięcie i prąd w obwodzie wyjściowym.

3. izolację, chroniącą uzwojenia i rdzeń przed przepięciami i zwarciami,

4. obudowę, chroniącą transformator przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływem środowiska.

Zasada działania transformatora

Transformator działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej - wykorzystuje zmienne pole magnetyczne do przekazywania energii elektrycznej między dwoma (lub więcej) obwodami elektrycznymi. Aby w pełni zrozumieć zasadę działania transformatora, warto prześledzić, co dzieje się w jego elementach i jak zachodzą w nich procesy fizyczne.

1. Wytwarzanie zmiennego pola magnetycznego

Prąd przemienny (AC) jest doprowadzany do uzwojenia pierwotnego transformatora. Przepływ prądu zmienia się w czasie, co powoduje wytworzenie zmiennego pola magnetycznego wokół uzwojenia. Zgodnie z prawem Ampere’a, prąd elektryczny generuje pole magnetyczne, którego siła jest proporcjonalna do wartości tego prądu.

2. Przenoszenie strumienia magnetycznego przez rdzeń

Zmienny strumień magnetyczny, wytworzony przez uzwojenie pierwotne, jest przekazywany do rdzenia magnetycznego transformatora. Rdzeń, wykonany z materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej (np. blachy stalowe), pełni rolę "kierowcy" pola magnetycznego, prowadząc je do uzwojenia wtórnego. Dzięki temu strumień magnetyczny jest skoncentrowany, a straty energii są minimalizowane.

3. Indukcja elektromagnetyczna w uzwojeniu wtórnym

Zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym. Proces ten opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya, które mówi, że zmiana strumienia magnetycznego przecinającego przewodnik powoduje powstanie siły elektromotorycznej (SEM) w tym przewodniku. Wartość napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym zależy od liczby zwojów w uzwojeniu wtórnym oraz szybkości zmiany strumienia magnetycznego.

4. Przekształcenie napięcia

Stosunek napięcia wejściowego (pierwotnego) do wyjściowego (wtórnego) jest określony przez stosunek liczby zwojów w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym:

U_S/U_p=N_S/N_p

Gdzie:

• U_P to napięcie pierwotne,
• U_S to napięcie wtórne,
• N_P to liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym,
• N_S to liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym.

Jeśli liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest większa niż pierwotnego (N_S>N_P), transformator zwiększa napięcie (transformator podwyższający). W przeciwnym przypadku (N_S<N_p) transformator obniża napięcie (transformator obniżający).

5. Zachowanie częstotliwości

Transformator nie zmienia częstotliwości prądu. Częstotliwość napięcia wtórnego jest taka sama jak napięcia pierwotnego, ponieważ cały proces polega na przenoszeniu energii poprzez zmienne pole magnetyczne, a nie na jej transformacji w inny typ energii.

6. Wydzielanie ciepła i straty energii

Podczas pracy transformatora część energii jest tracona w postaci ciepła w wyniku:

• strat w rdzeniu - wynikających z prądów wirowych i histerezy magnetycznej,
• strat w uzwojeniach - spowodowanych opornością przewodów.

Aby zminimalizować straty, stosuje się:

• rdzenie z blach stalowych o niskich stratach magnetycznych,
• przewody o niskiej rezystancji.

Transformator działa jako "przekaźnik" energii elektrycznej, który wykorzystuje zmienne pole magnetyczne do zmiany wartości napięcia i prądu w obwodach elektrycznych. Cały proces jest oparty na prawach elektromagnetyzmu, takich jak prawo Faradaya i Ampere’a. Dzięki temu transformator jest niezastąpionym urządzeniem w systemach energetycznych, umożliwiając efektywne przesyłanie energii na duże odległości.

Symbol transformatora

Na schematach elektrycznych transformator jest przedstawiany za pomocą symbolu graficznego, który różni się w zależności od typu transformatora. Podstawowy symbol składa się z dwóch cewek (uzwojeń) reprezentujących uzwojenie pierwotne i wtórne, otoczonych dwoma równoległymi liniami oznaczającymi rdzeń magnetyczny. W przypadku transformatora z odczepami uzwojenia (np. autotransformatora), symbol może być dodatkowo uzupełniony o dodatkowe linie.

Parametry transformatora

By lepiej zrozumieć parametry transformatora, warto podzielić je na grupy: parametry elektryczne, mechaniczne i eksploatacyjne.

Parametry elektryczne transformatora

Moc znamionowa (S)
Moc transformatora, zwykle wyrażana w voltamperach (VA), kilowoltamperach (kVA) lub megawoltamperach (MVA). Wskazuje maksymalną moc, jaką transformator może przenieść z uzwojenia pierwotnego na wtórne przy określonych warunkach pracy.

Napięcie znamionowe (U)
Określa wartość napięcia na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym. Transformator może być zaprojektowany dla różnych relacji napięcia, co pozwala na zmianę poziomu napięcia w systemach przesyłowych.

Prąd znamionowy (I)
Maksymalna wartość prądu, jaką uzwojenia mogą przewodzić przy znamionowej mocy i napięciu bez przekroczenia dopuszczalnej temperatury.

Liczba faz
Transformator może być jednofazowy lub trójfazowy, w zależności od zastosowania. Trójfazowe są powszechnie używane w systemach przesyłowych i przemysłowych.

Straty mocy

• Straty w rdzeniu (straty jałowe) - powodowane głównie przez prądy wirowe i histerezę w rdzeniu magnetycznym. Zależą od materiału rdzenia i częstotliwości pracy.
• Straty w uzwojeniach (straty obciążeniowe) - powstają wskutek przepływu prądu przez rezystancję uzwojeń i rosną wraz z obciążeniem.

Sprawność (η)
Stosunek mocy użytecznej (na uzwojeniu wtórnym) do mocy pobranej na uzwojeniu pierwotnym. Sprawność transformatorów wynosi zwykle od 95% do 99%.

Impedancja zwarciowa (Zk)
Wyrażona w procentach, określa napięcie potrzebne do wytworzenia pełnego prądu znamionowego w uzwojeniu wtórnym przy zwarciu. Parametr ten wpływa na zdolność transformatora do ograniczania prądów zwarciowych.

Prąd magnesujący
Prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym przy stanie jałowym, służący do wytwarzania strumienia magnetycznego w rdzeniu.

Parametry mechaniczne transformatora

Wymiary i masa
Transformator to urządzenie często bardzo masywne. Wymiary i masa zależą od mocy znamionowej i konstrukcji (np. transformator olejowy czy suchy).

Typ konstrukcji

• Rdzeniowy - uzwojenia owinięte wokół rdzenia magnetycznego.
• Pancerzowy - rdzeń otacza uzwojenia, co zapewnia większą odporność na uszkodzenia mechaniczne.

Rodzaj chłodzenia
Transformator musi efektywnie odprowadzać ciepło generowane podczas pracy. Stosuje się różne metody chłodzenia, np.:

• Naturalne powietrzne (AN) - dla małych transformatorów.
• Olejowe (ONAN, ONAF) - dla transformatorów większych mocy, gdzie olej przewodzi ciepło do radiatorów.

Materiał rdzenia
Rdzenie wykonuje się z blach transformatorowych (stal krzemowa) lub w przypadku nowoczesnych urządzeń z materiałów amorficznych, aby zredukować straty w rdzeniu.

Parametry eksploatacyjne transformatora

Napięcie zwarcia
Wartość napięcia przy zwarciu uzwojenia wtórnego, ważna dla analizy stabilności systemu elektroenergetycznego.

Przeciążalność
Określa zdolność transformatora do pracy przy obciążeniu przekraczającym wartość znamionową w określonych warunkach, np. przy krótkotrwałych szczytach obciążenia.

Izolacja
Materiały izolacyjne muszą zapewniać odporność na przepięcia i wysokie temperatury. Typ izolacji (papier, olej, żywica) wpływa na zastosowanie transformatora.

Trwałość
Średnia żywotność transformatora wynosi zwykle 20-30 lat, ale zależy od czynników takich jak jakość materiałów, sposób użytkowania i konserwacji.

Odporność na warunki środowiskowe

• W transformatorach zewnętrznych istotna jest odporność na wilgoć, korozję i zmienne temperatury.
• W aplikacjach wewnętrznych ważna jest kompaktowość i niski poziom hałasu.

Inne istotne cechy transformatora

Transformacja napięcia
Transformator może być zasilany z różnych poziomów napięcia w zależności od potrzeb, np. sieci wysokiego, średniego lub niskiego napięcia.

Przekładnia transformatora
Stosunek liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym do wtórnego określający relację napięć pomiędzy uzwojeniami.

Izolacja galwaniczna
Oddzielenie elektryczne uzwojenia pierwotnego i wtórnego zwiększające bezpieczeństwo użytkowania.

Współczynnik mocy
Wpływa na wydajność pracy transformatora w rzeczywistych warunkach obciążenia.

Rodzaje transformatorów

Transformator to urządzenie o szerokim spektrum zastosowań, które można klasyfikować w zależności od budowy, zasady działania, przeznaczenia czy charakterystyki pracy. Poniżej opis najważniejszych rodzajów transformatorów.

1. Transformator mocy

Transformatory mocy to duże urządzenia stosowane w systemach elektroenergetycznych. Ich głównym zadaniem jest zmiana napięcia na potrzeby przesyłania energii elektrycznej na duże odległości:

• podwyższające napięcie, np. w elektrowniach przekształcają napięcie na bardzo wysokie wartości (np. z 10 kV na 400 kV), aby zmniejszyć straty energii podczas przesyłu,
• obniżające napięcie, np. w stacjach rozdzielczych redukują napięcie do poziomów użytkowych (np. z 400 kV na 230 V).

Transformatory mocy ze względu na swoją wielkość i moc (nawet setki MVA) są chłodzone olejem lub gazem, aby zapewnić wydajną pracę.

2. Transformator dystrybucyjny

Transformator dystrybucyjny jest mniejszą wersją transformatora mocy, stosowaną w sieciach niskiego napięcia. Znajduje się w pobliżu odbiorców energii (np. w stacjach transformatorowych na osiedlach) i przekształca napięcie na poziom 400 V lub 230 V. Jest to poziom napięcia dla zasilania domów, biur i małych przedsiębiorstw.

3. Autotransformator

Autotransformator różni się od klasycznego transformatora tym, że ma jedno uzwojenie wspólne dla strony pierwotnej i wtórnej. Dzięki temu jest mniejszy, lżejszy i bardziej efektywny. Jednak brak izolacji elektrycznej między obwodami ogranicza jego zastosowanie, np. w urządzeniach wymagających wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Często jest stosowany w układach regulacji napięcia oraz w silnikach elektrycznych.

4. Transformator impulsowy

Transformator impulsowy jest używany w układach elektronicznych, szczególnie w zasilaczach impulsowych (np. w komputerach, ładowarkach). Działa na dość wysokich częstotliwościach (kilkadziesiąt kHz lub więcej), co pozwala na miniaturyzację jego konstrukcji. Dzięki swoim właściwościom umożliwia szybkie przełączanie napięć, a jego mały rozmiar sprawia, że jest idealny do zastosowań w urządzeniach przenośnych.

5. Transformator toroidalny

Ten typ transformatora wykorzystuje rdzeń w kształcie pierścienia (toroid), co pozwala na lepsze wykorzystanie materiału magnetycznego.

Transformator toroidalny cechuje się:

• niskim poziomem zakłóceń elektromagnetycznych,
• kompaktową budową,
• cichą pracą.

Znajduje on zastosowanie w urządzeniach audio, systemach oświetleniowych i aparaturze medycznej, gdzie istotne są niewielkie zakłócenia.

6. Transformator separacyjny

Transformator separacyjny zapewnia izolację elektryczną między obwodami pierwotnym a wtórnym. Jego głównym celem jest zwiększenie bezpieczeństwa użytkownika oraz ochrona urządzeń przed przepięciami. Jest stosowany w sprzęcie medycznym, laboratoriach i miejscach, gdzie wymagana jest wysoka izolacja.

7. Transformator pomiarowy

Transformatory pomiarowe są wykorzystywane do monitorowania parametrów sieci elektroenergetycznych, takich jak napięcie czy prąd. Generalnie dzielą się na:

• przekładniki napięciowe, które zmniejszają wysokie napięcia do poziomów bezpiecznych dla mierników,
• przekładniki prądowe, które przekształcają duże prądy na mniejsze, łatwiejsze do zmierzenia.

Transformatory pomiarowe są stosowane w systemach ochronnych i automatyki elektroenergetycznej.

8. Transformator trójfazowy

Transformator trójfazowy jest przeznaczony do pracy w sieciach trójfazowych, które są powszechnie stosowane w systemach energetycznych. Może mieć konstrukcję z jednym rdzeniem dla wszystkich trzech faz lub z trzema oddzielnymi rdzeniami. Jest podstawą w przesyle i dystrybucji energii elektrycznej.

9. Transformator specjalny

Istnieje jeszcze wiele typów transformatorów zaprojektowanych do specyficznych zastosowań, np.:

• transformator spawalniczy, który dostarcza prąd o wysokim natężeniu do urządzeń spawalniczych,
• transformator mikrofalowy, który stosowany w kuchenkach mikrofalowych,
• transformator audio, który jest używany w urządzeniach nagłośnieniowych i wzmacniaczach,
• inne.

Zastosowanie transformatora

Transformator znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach życia codziennego, przemysłu oraz energetyki, będąc nieodzownym elementem systemów elektrycznych. Jego podstawową funkcją jest transformacja napięcia - podwyższanie lub obniżanie go w zależności od potrzeb, co umożliwia przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości oraz jej dostarczanie do urządzeń o różnych wymaganiach napięciowych. Dzięki tej zdolności, transformator jest nieodzowny w niemal wszystkich aspektach współczesnego świata opartego na elektryczności.

1. Systemy energetyczne

Przesył energii elektrycznej

• Podwyższanie napięcia
• Obniżanie napięcia

Stabilizacja sieci elektroenergetycznej

Transformator umożliwia regulację napięcia i poprawę stabilności pracy sieci. Wykorzystuje się m.in.:

• transformatory regulacyjne do dynamicznego dopasowania napięcia do bieżących potrzeb.
• autotransformatory zwiększające sprawność i redukujące koszty w systemach przesyłu.

2. Przemysł

Zasilanie maszyn i urządzeń przemysłowych

Transformator dostosowuje napięcie do wymagań maszyn przemysłowych, które mogą wymagać napięcia średniego lub niskiego, różniącego się od napięcia sieciowego.

Przykłady zastosowań:

• zasilanie dużych maszyn produkcyjnych, pieców indukcyjnych i linii technologicznych,
• stabilizacja napięcia w zakładach przemysłowych.

Spawanie i obróbka metali

Specjalne transformatory spawalnicze obniżają napięcie i dostosowują je do specyfikacji spawarek, zapewniając stabilną pracę i bezpieczeństwo.

Elektroliza i procesy chemiczne

Transformator jest wykorzystywany w procesach elektrolizy (np. produkcji aluminium, chloru) do zapewnienia niskiego napięcia i wysokiego prądu.

3. Gospodarstwa domowe

Dostarczenie energii do urządzeń elektrycznych

Transformator jest niezbędny w systemach dystrybucji energii elektrycznej dla zasilania domów i mieszkań, dostosowując napięcie z poziomu sieci (np. 15 kV) do napięcia użytkowego (230/400 V).

Zasilacze w urządzeniach elektronicznych

Wiele domowych urządzeń, takich jak ładowarki, telewizory czy komputery, zawiera małe transformatory wbudowane w zasilacze, które obniżają napięcie i dostarczają odpowiednie zasilanie.

4. Transport

Kolej elektryczna i tramwaje

W systemach trakcji elektrycznej transformatory są stosowane do obniżania napięcia z sieci przesyłowych (np. 110 kV) do poziomu odpowiedniego dla trakcji (np. 25 kV). Umożliwiają również podział mocy między różne sekcje sieci trakcyjnej.

Transport miejski

W tramwajach, trolejbusach i metrze transformatory pozwalają na zasilanie systemów napędowych oraz urządzeń pomocniczych.

5. Energetyka odnawialna

Farmy wiatrowe i słoneczne

Transformator podwyższa napięcie generowane przez turbiny wiatrowe czy panele fotowoltaiczne (np. z 0,4 kV do 20 kV lub więcej), umożliwiając przesył energii do sieci.

Magazyny energii

W systemach akumulatorowych i magazynowania energii transformatory umożliwiają integrację tych systemów z siecią.

6. Telekomunikacja i IT

Zasilanie stacji bazowych

W systemach telekomunikacyjnych transformatory dostosowują napięcie do wymagań stacji bazowych, urządzeń nadawczych czy serwerowni.

Ochrona urządzeń elektronicznych

Transformatory separacyjne są stosowane do izolacji galwanicznej w systemach IT, zapewniając ochronę przed przepięciami i zakłóceniami.

7. Medycyna

W sprzęcie medycznym transformator zapewnia bezpieczne i stabilne zasilanie urządzeń diagnostycznych (np. tomografów komputerowych, aparatów rentgenowskich) oraz terapeutycznych. Transformatory separacyjne są również stosowane w pomieszczeniach szpitalnych, aby zwiększyć bezpieczeństwo pacjentów.

8. Przemysł elektryczny i elektronika

Transformator znajduje zastosowanie w produkcji i testowaniu urządzeń elektrycznych, w tym:

• laboratoriach badawczych, np. w układach do testowania urządzeń pod różnym napięciem;
• w produkcji elektroniki do zasilania linii produkcyjnych oraz testowania podzespołów.

9. Specjalistyczne zastosowania transformatora

Transformatory do celów pomiarowych

W systemach elektroenergetycznych wykorzystuje się transformatory napięciowe i prądowe do precyzyjnych pomiarów parametrów elektrycznych.

Transformatory izolacyjne

Stosowane w środowiskach wymagających szczególnego bezpieczeństwa, np. w laboratoriach, zakładach chemicznych czy instalacjach wojskowych.

Inne.

Jak widać, transformator to bardzo istotny element systemów energetycznych i elektronicznych, umożliwiający efektywną zmianę napięcia i prądu. Dzięki swojej wszechstronności i różnorodności zastosowań, odgrywa niezastąpioną rolę w przesyłaniu, dystrybucji i wykorzystaniu energii elektrycznej. Jego zasada działania, oparta na zjawiskach elektromagnetycznych, czyni go jednym z najważniejszych urządzeń w inżynierii elektrycznej.