Transformator

Transformator to urządzenie zaliczane do maszyn elektrycznych, które najczęściej wykorzystywane jest do zmiany właściwości przepływającego prądu. W energetyce stosowany jest w celu zmiany napięcie między kolejnymi etapami przesyłu. W tym artykule pochylimy się nad budową, działaniem oraz zastosowaniami tego urządzenia.

W jaki sposób zbudowany jest transformator?

Podstawowe elementy budowy transformatora to stalowy rdzeń oraz dwa uzwojenia – pierwotne i wtórne, wykonane z miedzi lub aluminium. Rdzeń stanowi obwód magnetyczny transformatora i przewodzi on strumień magnetyczny. Złożony jest z kolumn połączonych jarzmami, na które nawinięte jest uzwojenie. Wykonany jest on z izolowanych, cienkich i silnie nakrzemowanych blach, co pozwala na zmniejszenie strat, jakie powstają wskutek prądów wirowych oraz histerezy. Obwody elektryczne transformatora to uzwojenia, które są osadzone na kolumnach. Wykonywane są z przewodów izolowanych-miedzianych lub aluminiowych.

Najczęściej stosowanym rodzajem uzwojeń jest cylindryczne. W jego przypadku zarówno uzwojenie pierwotne, jak i wtórne wykonane jest pod postacią koncentrycznych cylindrów, które osadzone są na jednej kolumnie. Uzwojenie dolne osadza się bezpośrednio na niej, a górne na dolnym, zachowując przy tym izolację zarówno między nimi, jak i samą kolumną. Każde z uzwojeń separuje się galwanicznie, nie ma między nimi połączenia elektrycznego, a energia przekazywana jest dzięki obecności pola magnetycznego. Wyjątkiem od tej reguły jest autotransformator, w którym oba uzwojenia posiadają część wspólną oraz połączenie galwaniczne.

Jak działa transformator?

Aby była możliwa zmiana właściwości energii elektrycznej, należy najpierw doprowadzić ją do uzwojeń transformatora. W tym celu uzwojenie pierwotne podłącza się do źródła prądu, co powoduje przepływ energii w jego wnętrzu i powstanie zmiennego pola magnetycznego. Rdzeń transformatora przewodzi zmienny strumień pola magnetycznego, który przepływa później przez uzwojenie wtórne. Zmiana, jaka zachodzi w strumieniu pola magnetycznego w uzwojeniu wtórnym, powoduje indukcję elektromagnetyczną. Za jej pośrednictwem powstaje w nim zmienna siła elektromotoryczna. Wpływ na to, jak zmieni się napięcie transformowanej w ten sposób energii, ma liczba zwojów uzwojeń. W sytuacji, gdy liczba zwojów uzwojenia pierwotnego jest większa od liczby zwojów uzwojenia wtórnego, indukowane napięcie będzie niższe od napięcia pierwotnego. Tego typu transformator określamy obniżającym napięcie. Analogicznie, jeżeli liczba zwojów uzwojenia pierwotnego jest mniejsza niż wtórnego, to napięcie wtórne będzie wyższe od pierwotnego, a tego typu transformator określa się podwyższającym napięcie.

W szczególnych przypadkach stosuje się autotransformatory, w których funkcję obu tych uzwojeń pełni pojedyncze uzwojenie. Jest on wykorzystywany m.in. w elektroenergetyce, w sytuacjach, kiedy konieczna jest transformacja napięcia z niewielkim mnożnikiem, określanym w literaturze technicznej przekładnią. Oprócz tego różnice w zasadzie działania występują między poszczególnymi rodzajami transformatorów, które mogą być inaczej zbudowane w zależności od sposobu chłodzenia, czy mocy znamionowej, jednakże jest to temat na tyle obszerny, że każdy z tych rodzajów zasługuje na oddzielny, dedykowany sobie artykuł.

Zastosowanie transformatorów

Jak wspomnieliśmy krótko we wstępie, transformatory stosowane są do zmiany parametrów energii elektrycznej. Najistotniejszym zastosowaniem jest zmiana wartości napięcia, przepływającego prądu. Transformatory skonstruowane w tym celu są umieszczane na wszystkich etapach sieci przesyłowej. Energetyka wykorzystuje je w celu rozdziału energii i dalszego jej transportu liniami mniejszych napięć, tak aby finalnie sieć dystrybucyjna dostarczyła ją do odbiorców końcowych. W tym celu wykorzystuje się głównie tradycyjne transformatory olejowe, które zapewniają wysoką niezawodność i wieloletni okres eksploatacji.

Są jednak transformatory specjalnego przeznaczenia, których zadaniem nie jest jedynie transformacja energii. Jednym z nich jest transformator separacyjny, który stosowany jest do zasilania urządzeń w warunkach izolowanych od sieci zasilającej. Wykorzystuje się go m.in. w laboratoriach pomiarowych, gdzie uziemienie sieci jest elementem niepożądanym, który może wpłynąć na wynik doświadczenia.