Rozwój samych transformatorów jest znacznie wolniejszy, jeśli spojrzymy na ich zasadę działania czy wykorzystywane materiały, ale staje się widoczny, jeśli zwrócimy uwagę na ich obudowy oraz różne ułatwienia dla montażystów i projektantów.

Początkowo montaż transformatorów na szynę polegał na zamocowaniu w standardowym transformatorze EI specjalnego adaptera umożliwiającego montaż na szynie. Do dzisiaj takie rozwiązanie wykorzystywane jest w niskobudżetowych instalacjach. Z czasem jednak okazało się, że taki sposób montażu jest niewygodny. Przez adapter transformator mocno odstawał od szyny i znacznie odbiegał wymiarami od innych urządzeń, a jego waga i odsunięty środek ciężkości oddziaływały dużym momentem siły na zaczepy szyny montażowej wpływając negatywnie na ich trwałość. Oprócz tego, taki transformator wymagał odrębnego aparatu w postaci gniazda na bezpiecznik. Takie rozwiązanie nie było zbyt optymalne również pod względem cieplnym, a co za tym idzie ograniczało, bardziej niż późniejsze rozwiązania, możliwe do osiągnięcia moce.

Kolejnym etapem konstrukcyjnym była adaptacja istniejących na rynku obudów, które umożliwiały zmianę pozycji transformatora względem szyny, poprawę jego chłodzenia przez zalewanie żywicą oraz zamocowanie zabezpieczenia. Przykładem takiego rozwiązania jest seria transformatorów PSZ. Niestety również to rozwiązanie nie zaspokajało wszystkich potrzeb rynku, ponieważ wymiary jakie osiągały takie transformatory, niejednokrotnie przeszkadzały innym aparatom. Presji nie poddały się jednak wykonania większych mocy, które nadal są używane, co więcej, pojawiają się też nowe, ciekawe wersje obudów, jak np. w serii transformatorów PTM.

Wzrost sygnałów z rynku o potrzebie zmiany, zmobilizował producentów do tworzenia własnych, dedykowanych obudów. Tak powstały transformatory z serii PSS. Ta linia produktów zdobyła bardzo szybko uznanie w skali europejskiej. Ich budowa i parametry zbliżyły się całkowicie do stawianych wtedy oczekiwań, a obudowy wyprzedzały ówczesny design przemysłowy. Z wymiarów zadowoleni byli instalatorzy, projektantów cieszyła duża liczba gabarytów mocy, czy też wbudowane we wnętrzu obudów gniazda bezpiecznikowe, które to zwalniały ich z konieczności zabezpieczania transformatorów dodatkowym zewnętrznym aparatem.

Transformatory tej serii nadal mają powodzenie, jednak rynek „nie śpi” i szybko okazało się, że aparaty na szynę wykreowały swój własny standard wymiarowy. Wszechotaczające nas zabezpieczenia typu „S”, mnogość obudów dopasowanych do nich maskownicami itp., spowodowały presję, by dopasowywać kształt i wymiary urządzenia do nowych standardów. Za jednostkę zajętości szyny przyjęto „moduł”, który oznacza szerokość standardowej „S-ki”. Konstruktorzy i projektanci transformatorów, we współpracy z nowo powstałymi firmami zajmującymi się „designem przemysłowym”, podjęli się ponownego spojrzenia na transformator na szynę. Uwzględniono szereg oczekiwań, m.in.: wymiary, łatwość montażu i demontażu, wielkości gabarytów mocy, łatwość przyłączania przewodów, skuteczność oddawania ciepła, bezobsługowość zabezpieczeń czy też możliwości dalszego rozwoju w kierunku dodatkowych uzwojeń i odczepów napięciowych. Po uwzględnieniu wszystkich wymienionych, a także innych, nie podanych wyżej kryteriów, powstała seria transformatorów PSS N. Czym wyróżniają się te urządzenia na tle konkurencji?

Zacznijmy od tego, że seria PSS N zawiera następujące moce gabarytowe: 16-20-30-50-63-80VA. W dziedzinie całej rozpiętości mocy wykonań transformatorów niskiego napięcia jest to dość skromny przedział, ale za to absolutnie wystarczający do zastosowań na szynie DIN. Na szczególną uwagę zasługuje natomiast kwestia zabezpieczeń zastosowanych w serii PSS N. Wcześniej do zabezpieczania takich transformatorów służyły bezpieczniki topikowe, jednak z racji wymaganych tu małych wartości prądu musiałyby to być tzw. bezpieczniki „radiowe” – takie używane są w serii PSS. Niestety obsługa tego typu bezpieczników przysparza wielu problemów, zwłaszcza w sytuacji gdy bezpiecznik się przepali i trzeba go wymienić. Z tego powodu postanowiono, że w nowej serii zostanie wbudowane zabezpieczenie termiczne na bazie elementu PTC. Właściwości takiego elementu byłyby jednak niewygodne, gdyby był on zainstalowany na stronie pierwotnej transformatora, ponieważ aby transformator powrócił do stanu pracy, oprócz jego ostygnięcia wymagane byłoby odłączenie jego zasilania na kilka sekund. Z tego powodu zabezpieczenie PTC znajduje się na stronie wtórnej. Przeciążenie trwale blokuje transformator uniemożliwiając jego ponowne załączenie bez zdjęcia zasilania, a więc daje szansę na bezawaryjne usunięcie błędu, natomiast zwarcie za transformatorem blokuje urządzenie do czasu jego usunięcia. A co jeśli zwarcie powstanie w samym uzwojeniu pierwotnym? Producent zadbał o to, by taka sytuacja nie miała miejsca dzięki zastosowaniu odpowiedniej klasy izolacji drutu nawojowego.

Seria PSS N zdobywa zwolenników w całej Europie szybciej, niż się tego spodziewano, co potwierdza słuszność decyzji konstrukcyjnych i projektowych. Czy to koniec rozwoju? Z pewnością nie. Na razie nie wiadomo czego rynek będzie oczekiwał. Być może indywidualności kolorystycznej, być może odejścia od standardów napięciowych w celu minimalizacji zużycia energii. Pytanie o przyszłe oczekiwania i kierunki rozwoju są czymś normalnym w biznesie. Jedno jest pewne – będzie ciekawie.

Mgr inż. Krzysztof Majewski

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.

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.

Często pojawiają się pytania o transformatory separacyjne. Separacyjne  to te transformatory, w których napięcie wyjściowe jest najczęściej równe napięciu wejściowemu. Posiadają one separację galwaniczną między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym.

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:

Jednym z ważnych elementów ocieplania budynków jest odpowiednie przycinanie styropianu. Istotne jest aby docinane płyty dolegały precyzyjnie jedna do drugiej. Cięcie mechaniczne np. piłą czy nożem powoduje wykruszanie się dużej ilości kuleczek styropianu, przez co rzaz jest bardzo postrzępiony. Przygotowane w ten sposób płyty po przyklejeniu na ocieplaną ścianę wymagają dodatkowego uszczelniania pianą poliuretanową aplikowaną z pistoletu, co wydłuża czas montażu i podnosi koszty.

Najważniejsze cechy PCS 250/9A:

• Zasilanie drutu tnącego napięciem bezpiecznym dla użytkownika.
• Zapewniona separacja od napięcia sieciowego 230V.
• Możliwość wygodnej i precyzyjnej regulacji temperatury drutu tnącego.
• Zabezpieczenie transformatora przed uszkodzeniem w wyniku zwarcia lub przeciążenia.
• Wygodny w obsłudze bezpiecznik automatyczny.
• Brak konieczności wymiany przepalonych wkładek bezpiecznikowych na nowe.
• Ergonomiczna zwarta konstrukcja.
• Wygodny i wytrzymały uchwyt do przenoszenia.
• Wytrzymały profesjonalny przewód zasilający.
• Wysoki stopień ochrony (IP44) zapewniający bryzgoszczelność transformatora.
• Sygnalizacja zasilania drutu tnącego podświetlanym wyłącznikiem.
• Wygodne gniazdo pozwalające na szybkie podłączanie drutu tnącego.
• Wtyczka załączona do zestawu.

Specyfikacja techniczna:
Napięcie zasilające: 230V
Napięcie wyjściowe regulowane: 20V – 22V – 24V – 26V – 28V
Częstotliwość: 50 Hz
Moc: 250W – max 9A

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.