Urządzenie i zasada działania transformatora

Aby przekonwertować napięcie elektryczne o jednej wielkości na napięcie elektryczne o innej wielkości, to znaczy przekonwertować energię elektryczną, użyj transformatory elektryczne.

Transformator może przetwarzać tylko prąd przemienny na prąd przemienny, dlatego w celu uzyskania prądu stałego prąd przemienny z transformatora jest w razie potrzeby prostowany. W tym celu służą prostowniki.

W taki czy inny sposób każdy transformator (napięciowy, prądowy lub impulsowy) działa dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej, które objawia się w całej okazałości właśnie przy prądzie przemiennym lub impulsowym.

Urządzenie transformatorowe

W najprostszej postaci transformator jednofazowy składa się tylko z trzech głównych części: rdzenia ferromagnetycznego (obwód magnetyczny), a także uzwojenia pierwotne i wtórne. Zasadniczo transformator może mieć więcej niż dwa uzwojenia, ale co najmniej dwa z nich. W niektórych przypadkach funkcję uzwojenia wtórnego może pełnić część zwojów uzwojenia pierwotnego (patrz ryc. rodzaje transformatorów), ale takie rozwiązania są dość rzadkie w porównaniu do zwykłych.

Główną częścią transformatora jest rdzeń ferromagnetyczny. Podczas pracy transformatora zmienne pole magnetyczne znajduje się w rdzeniu ferromagnetycznym. Źródłem zmiennego pola magnetycznego w transformatorze jest prąd przemienny uzwojenia pierwotnego.

Napięcie uzwojenia wtórnego transformatora

Wiadomo, że każdemu prądowi elektrycznemu towarzyszy pole magnetyczne; w związku z tym prądowi przemiennemu towarzyszy zmienne (zmieniające się wielkość i kierunek) pole magnetyczne.

Zatem dostarczając prąd przemienny do uzwojenia pierwotnego transformatora, uzyskujemy zmienne pole magnetyczne prądu uzwojenia pierwotnego. I tak pole magnetyczne koncentruje się głównie w rdzeniu transformatora, rdzeń ten jest wykonany z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, tysiące razy większej niż powietrze, więc główna część strumienia magnetycznego uzwojenia pierwotnego będzie zamknięty dokładnie wewnątrz rdzenia, a nie przez powietrze.

W ten sposób zmienne pole magnetyczne uzwojenia pierwotnego koncentruje się w objętości rdzenia transformatora, który jest wykonany ze stali transformatorowej, ferrytu lub innego odpowiedniego materiału, w zależności od częstotliwości pracy i przeznaczenia konkretnego transformatora.

Uzwojenie wtórne transformatora znajduje się na wspólnym rdzeniu z uzwojeniem pierwotnym. Dlatego zmienne pole magnetyczne uzwojenia pierwotnego przenika również przez zwoje uzwojenia wtórnego.

A zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega po prostu na fakcie, że zmienne w czasie pole magnetyczne powoduje zmienne pole elektryczne w otaczającej go przestrzeni. A ponieważ w tej przestrzeni wokół zmiennego pola magnetycznego znajduje się drugi drut cewki, indukowane zmienne pole elektryczne oddziałuje na nośniki ładunku wewnątrz tego drutu.

To działanie pola elektrycznego powoduje powstanie pola elektromagnetycznego przy każdym zwoju cewki wtórnej. W rezultacie między zaciskami uzwojenia wtórnego pojawia się zmienne napięcie elektryczne. Gdy uzwojenie wtórne podłączonego transformatora nie jest obciążone, transformator jest pusty.

Praca transformatora pod obciążeniem

Jeśli do uzwojenia wtórnego pracującego transformatora zostanie podłączone określone obciążenie, w całym obwodzie wtórnym transformatora pojawi się prąd przez obciążenie.

Prąd ten wytwarza własne pole magnetyczne, które zgodnie z prawem Lenza ma taki kierunek, że przeciwstawia się „przyczynie, która go powoduje”. Oznacza to, że pole magnetyczne prądu uzwojenia wtórnego w dowolnym momencie ma tendencję do zmniejszania narastającego pola magnetycznego uzwojenia pierwotnego lub ma tendencję do podtrzymywania pola magnetycznego uzwojenia pierwotnego, gdy maleje, zawsze wskazuje na pole magnetyczne pole cewki pierwotnej.

Tak więc, gdy uzwojenie wtórne transformatora jest obciążone, w jego uzwojeniu pierwotnym pojawia się wsteczna siła elektromotoryczna, zmuszając uzwojenie pierwotne transformatora do pobierania większej ilości prądu z sieci zasilającej.

Współczynnik transformacji

Przekładnia zwojów uzwojenia pierwotnego N1 i wtórnego N2 transformatora określa stosunek jego napięć wejściowych U1 i wyjściowych U2 oraz prądów wejściowych I1 i wyjściowych I2 w czasie pracy transformatora pod obciążeniem. Ten stosunek nazywa się przekładnia transformatora:

Współczynnik transformacji jest większy niż jeden, jeśli transformator jest obniżany, i mniejszy niż jeden, jeśli transformator jest zwiększany.

Transformator napięcia

Przekładnik napięciowy jest rodzajem transformatora obniżającego napięcie przeznaczonego do galwanicznej izolacji obwodów wysokiego napięcia od obwodów niskiego napięcia.

Zwykle, jeśli chodzi o wysokie napięcie, oznaczają one 6 kilowoltów lub więcej (na uzwojeniu pierwotnym przekładnika napięciowego), a niskie napięcie oznacza wartości rzędu 100 woltów (na uzwojeniu wtórnym).

Taki transformator jest z reguły używany do celów pomiarowych… Obniża na przykład wysokie napięcie linii zasilającej do dogodnego niskiego napięcia do pomiaru, jednocześnie będąc w stanie galwanicznie odizolować obwody pomiarowe, zabezpieczające, sterujące od obwodu wysokiego napięcia. Tego typu transformatory zwykle pracują w trybie jałowym.

Zasadniczo wszystko można nazwać transformatorem napięcia transformatorsłuży do przetwarzania energii elektrycznej.

Przekładnik prądowy

W przekładniku prądowym uzwojenie pierwotne, które zwykle składa się tylko z jednego zwoju, jest połączone szeregowo z obwodem źródła prądu. Ten zwój może być odcinkiem przewodu obwodu, w którym należy zmierzyć prąd.

Drut jest po prostu przepuszczany przez okienko rdzenia transformatora i staje się tym pojedynczym zwojem – zwojem uzwojenia pierwotnego. Jego uzwojenie wtórne, które ma wiele zwojów, jest podłączone do urządzenia pomiarowego o niskiej rezystancji wewnętrznej.

Przekładniki tego typu służą do pomiaru wartości prądu przemiennego w obwodach elektroenergetycznych. Tutaj prąd i napięcie uzwojenia wtórnego są proporcjonalne do zmierzonego prądu uzwojenia pierwotnego (obwodu prądowego).

Przekładniki prądowe są szeroko stosowane w przekaźnikowych urządzeniach zabezpieczających systemów elektroenergetycznych, dlatego charakteryzują się dużą dokładnością. Sprawiają, że pomiary są bezpieczne, ponieważ niezawodnie izolują galwanicznie obwód pomiarowy od obwodu pierwotnego (zwykle wysokiego napięcia — dziesiątek i setek kilowoltów).

Transformator impulsowy

Ten transformator jest przeznaczony do przekształcania prądu (napięcia) w postaci impulsu. Krótkie impulsy, zwykle prostokątne, podawane na jego uzwojenie pierwotne powodują, że transformator pracuje praktycznie w warunkach przejściowych.

Takie transformatory są stosowane w impulsowych przetwornicach napięcia i innych urządzeniach impulsowych, a także w transformatorach różniczkowych.

Zastosowanie transformatorów impulsowych pozwala zmniejszyć wagę i koszt urządzeń, w których są stosowane, po prostu ze względu na zwiększoną częstotliwość przetwarzania (dziesiątki i setki kiloherców) w porównaniu z transformatorami sieciowymi pracującymi z częstotliwością 50-60 Hz. Impulsy prostokątne, których czas narastania jest znacznie krótszy niż sam czas trwania impulsu, są zwykle przekształcane z niewielkimi zniekształceniami.