Pisaliśmy już o tym, czym jest stan jałowy transformatora i dokładnie przyjrzeliśmy się stanowi jego obciążenia. 

Stan zwarcia pomiarowego transformatora to stan, który polega na zasileniu transformatora takim napięciem, by w zwartej stronie wtórnej popłynął prąd znamionowy.

Transformator służy do zmiany przemiennego napięcia o danej wartości na napięcie przemienne o innej wartości, przy zachowaniu tej samej częstotliwości. Szczególnym przypadkiem są transformatory, które nie zmieniają wartości napięć, ale wówczas służą do galwanicznego odseparowania zasilanego urządzenia od energetycznej sieci zasilającej.

Istnieje szereg reguł i praw z dziedziny elektrotechniki, które mają zastosowanie w konstrukcji transformatorów. Jedną z bardziej zaawansowanych teorii, od której można zacząć tłumaczyć zjawiska zachodzące w procesie transformacji napięcia, są równania Maxwella. Z ich interpretacji oraz uproszczeń wynikają również inne prawa i reguły, z którymi można spotkać się w literaturze dotyczącej elektrotechniki. Są to chociażby:

Podstawowe informacje o tym, jak działa transformator wyjaśniliśmy w poprzednim artykule.  Warto jednak rozwinąć kilka kolejnych pojęć i zależności, aby jeszcze lepiej zrozumieć funkcjonalności, sposoby działania i budowę tego typu urządzeń.

Jak wiemy, transformator składa się z rdzenia, na którym nawinięte są uzwojenia pierwotne i wtórne.

Do zacisków uzwojenia pierwotnego przyłożone jest napięcie przemienne U1, które wywołuje przepływ prądu w cewce uzwojenia pierwotnego o wartości I1.

Przemienny prąd elektryczny I1 wywołuje zmienne pole magnetyczne, którego linie sił zamykają się w rdzeniu ferromagnetycznym. Rdzeń ten jest dla pola magnetycznego znacznie lepszą drogą (czyli ma większą przenikalność magnetyczną) niż otaczające cewkę powietrze. Mówimy tutaj, że w rdzeniu przepływa strumień przemiennego pola magnetycznego.

Ten sam strumień przenika przez wnętrze cewki uzwojenia wtórnego indukując w nim siłę elektromotoryczną, która objawia się pojawieniem się przemiennego napięcia na zaciskach uzwojenia wtórnego (zjawisko indukcji elektromagnetycznej).

Ten sam strumień przenika również cewkę uzwojenia pierwotnego wywołując w niej siłę elektromotoryczną skierowaną przeciwnie do napięcia zasilającego (Reguła Lenza).

Strumień przemiennego pola magnetycznego jest wspólny dla obu uzwojeń, a indukowana siła elektromotoryczna jest taka sama dla każdego pojedynczego zwoju (Prawo przepływu), dlatego napięcie, jakie pojawi się na zaciskach strony wtórnej, zależy głównie od stosunku ilości zwojów w cewce uzwojenia pierwotnego i cewce uzwojenia wtórnego. W prosty sposób, przez różną liczbę zwojów obu uzwojeń otrzymujemy zmianę napięcia – czyli transformację.

Rys. 1

R1 i R2 – rezystancje uzwojeń
XΦ1 i XΦ2 – reaktancje rozproszenia strony pierwotnej i wtórnej odzwierciedlające te części strumienia magnetycznego, które zamykają się w przestrzeni nie obejmującej cewki drugiej (zamykające się głównie przez powietrze)
E1 i E2 – siły elektromotoryczne indukowane

Na podstawie podanych oznaczeń wprowadza się następujące podstawowe pojęcia:
n = Z1 / Z2 – przekładnia zwojowa

Jeżeli strumień magnesujący jest wspólny dla obu uzwojeń, to wiadomo, że będzie on w każdym zwoju indukował taką samą siłę elektromotoryczną. Stąd tą samą przekładnię można określić jako stosunek sił elektromotorycznych
n =  E1 / E2

Stosując podany wzór na przekładnię, możemy sprowadzić wartości elementów strony wtórnej z rys 2 na stronę pierwotną. Wówczas:
U’2 = nU2  ;  I’2 = I2/n  ;  R’2 = n2R2  ;  X’Φ2 =  n2 XΦ2

Dzięki czemu powstaje powszechnie stosowany schemat zastępczy transformatora.

Rys. 3:

Linią przerywaną zaznaczono możliwość wprowadzenia dodatkowej rezystancji RFe oznaczającej straty w rdzeniu, które powstają w skutek powstawania prądów wirowych. W praktyce często można tę rezystancję pominąć, gdyż zwykle  RFe >> Xμ

Analizując różne stany pracy transformatora na podstawie schematu z rys. 3 można poznać wiele istotnych własności transformatorów, o których z pewnością przeczytacie jeszcze na naszym blogu.

mgr inż. Krzysztof Majewski

Kierownik Działu Handlowego

Breve-Tufvassons

W typowych rdzeniach, uzwojenie nawinięte na środkowej kolumnie wytwarza strumień, którego droga zamknięcia się jest inna niż w pozostałych, co musi być uwzględnione w procesie projektowania.

Na poniższym rysunku pokazano w uproszczony sposób konstrukcję transformatora trójfazowego.

Transformatory bezpieczeństwa przeznaczone są do stosowania w instalacjach niskiego napięcia.

Szeroka oferta transformatorów Breve obejmuje:

•  transformatory bezpieczeństwa jednofazowe, 
• otwarte, o mocy do 2500VA, 
• trójfazowe otwarte lub obudowane o mocy do 100kVA
• obudowane o różnych stopniach ochrony
• transformatory bezpieczeństwa przenośne
• na szynę DIN.

Transformator ten posiada jedno uzwojenie pierwotne zaprojektowane do zasilania maksymalnym napięciem 400V, z odczepem do alternatywnego zasilania napięciem 230V.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że przy uzwojeniach pierwotnych z odczepami, jednocześnie można zasilać tylko jeden z nich.

Po stronie wtórnej są dwa uzwojenia. Pierwsze zaprojektowane na napięcie 24V o mocy 100VA, z odczepem środkowym dzielącym napięcie 24V na 2x12V. Przy takim podziale, dla każdego z napięć 12V maksymalna moc odbiornika wynosi po 50VA. Drugie uzwojenie zaprojektowano na napięcie 6V, dla maksymalnej mocy odbiornika 100VA.

Ważne jest to, że przy tak podanych parametrach, moce uzwojeń wtórnych dotyczą jedynie przypadku zasilania transformatora napięciem 400V, ponieważ podane napięcie pomnożone przez podany prąd 0,5A daje moc 200VA, która odpowiada sumie podanych mocy dla uzwojeń wtórnych.

Jeśli natomiast transformator zostanie zasilony napięciem 230V (na odczep uzwojenia pierwotnego), wówczas napięcia po stronie wtórnej zachowają swoje wartości, jednakże łączna moc odbierana ze strony wtórnej, nie może być większa niż iloczyn 230V i podanego prądu 0,5A, a więc ok. 115VA.

Istnieje oczywiście możliwość takiego skonstruowania transformatora, aby przy zasilaniu napięciem 230V na odczep uzwojenia pierwotnego, nadal była zachowana pełna moc uzwojeń wtórnych.
W takim przypadku, przy opisie prądu na odczepie uzwojenia pierwotnego byłoby 0,87A. Oznaczałoby to, że część uzwojenia pierwotnego od zacisku wspólnego do odczepu 230V byłaby nawinięta drutem nawojowym o większym przekroju. W takiej sytuacji, w stosunku do poprzedniego, transformator w większości przypadków miałby większe wymiary ze względu na większą objętość uzwojenia pierwotnego.

Przykładowe oznaczenie transformatora z rysunku wyglądałoby następująco:

Prawidłowa praca takiego zespołu jest możliwa przy spełnieniu kilku wymagań.

Podstawowym wymogiem jest  identyczna przekładnia napięciowa (nie powinna się różnić więcej niż 0,5%).

Rysunek poniżej pokazuje układ dwóch transformatorów jednofazowych i ich pętlę prądu wyrównawczego, jaki będzie płynął w uzwojeniach wtórnych przy różnych przekładniach napięciowych.

Będzie to mieć miejsce nawet wtedy, gdy do strony wtórnej zespołu transformatorów nie będzie przyłączony żaden odbiornik.
Gdyby napięcia transformatorów różniły się za bardzo, wówczas bardzo szybko prąd wyrównawczy mógłby osiągnąć duże wartości, praktycznie uniemożliwiając zasilenie odbiornika, lub nawet mógłby przekroczyć wartości znamionowe doprowadzając do zniszczenia transformatorów.

Kolejnym wymogiem pracy równoległej jest: taka sama grupa połączeń.
Dla układu jednofazowego będzie to właściwe połączenie początków uzwojeń, tak aby napięcia strony wtórnej były łączone w zgodzie z fazą (w przeciwnym przypadku transformatory ulegną natychmiastowemu uszkodzeniu lub zadziałają zabezpieczenia).

Ostatnim wymogiem jest: proporcjonalny rozkład mocy między transformatorami. Będzie on spełniony, gdy napięcia zwarcia transformatorów wyrażone w procentach nie będą się różnić więcej niż o 0,5%, a stosunek mocy transformatorów nie będzie większy niż 3:1.

Oto zależność:

η = Podd / (Podd + PCu +PFe)

Podd – moc oddawana do odbiornika
PCu –  moc strat w miedzi
PFe  – moc strat w żelazie

Powyższe parametry można z dostateczną dokładnością wyznaczyć, korzystając ze stanów pracy jałowej i stanu zwarcia pomiarowego. Istotne jest to, że transformator zawsze pobiera większą moc z sieci zasilającej, niż oddaje do odbiornika. W niektórych przypadkach może więc zachodzić konieczność znajomości sprawności transformatora, np. z powodu właściwego doboru zabezpieczenia przeciążeniowego od strony pierwotnej.

Sprawność transformatorów jest różna ze względu na moc znamionową transformatora i zawiera się w granicach ok. 0,3-0,4 dla transformatorów  o mocy pojedynczych VA, aż do ok. 0,99 dla transformatorów energetycznych rzędu MVA.

Sprawność pojedynczego transformatora zależy również w sposób nieliniowy od prądu obciążenia strony wtórnej. Transformatory projektuje się tak, by ich największa sprawność przypadała dla ok. połowy wartości prądu znamionowego.

Przybliżony poglądowy wykres dla zależności sprawności transformatorów przedstawia rysunek.

Przy założeniu, że obciążenie transformatora jest w dopuszczalnych granicach, można stwierdzić, że prąd magnesujący I0 pozostaje niezmieniony, gdyż zależy głównie od Xμ i RFe, (Xμ i RFe, >> XΦ1 i R1). Jednakże pojawia się dodatkowy prąd obciążenia I’2, który wywołuje spadki napięć na rezystancjach uzwojeń (tzw straty w miedzi ) i  reaktancjach rozproszenia. Spadki tych napięć powodują, że napięcie na zaciskach strony wtórnej jest niższe niż w stanie jałowym transformatora i osiąga wartość znamionową przy znamionowym prądzie wtórnym transformatora.
Wynika stąd wniosek, że napięcie znamionowe strony wtórnej jest najniższym dopuszczalnym napięciem na zaciskach wtórnych transformatora, przy założeniu, że strona pierwotna jest zasilana napięciem znamionowym pierwotnym, oraz że w transformatorze płyną prądy znamionowe.

Innymi słowy: producent transformatorów musi zagwarantować, że w warunkach obciążenia znamionowego napięcie na zaciskach wyjściowych nie będzie niższe niż znamionowe. Wówczas bowiem transformator może oddawać do odbiornika znamionową moc.

Zaciski uzwojenia wtórnego pozostają rozwarte. W stanie tym prąd strony wtórnej jest równy zeru, a prąd strony pierwotnej osiąga pewną niedużą wartość tzw. prądu jałowego, który odpowiada za magnesowanie rdzenia i pomijalnie małe straty na rezystancji uzwojenia pierwotnego. Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wtórnym nie wywołuje żadnego prądu wtórnego,  więc na rezystancji uzwojenia wtórnego nie pojawia się żaden spadek napięcia.

Reasumując: minimalny spadek napięcia wywołany rezystancją uzwojenia pierwotnego oraz reaktancją rozproszenia uzwojenia pierwotnego oraz zerowy spadek napięcia po stronie wtórnej powodują, że napięcie wtórne w tym stanie osiąga wartość maksymalną, prąd strony pierwotnej zaś minimalną.

Można wnioskować dalej, że transformator pobiera nieznaczną energię z sieci energetycznej na potrzeby głównie magnesowania rdzenia, a napięcie strony wtórnej osiąga wartość maksymalną, której znajomość szczególnie w transformatorach małej mocy jest niezbędna do projektowania zasilaczy.