Transformatory są najbardziej rozpoznawalnym sprzętem w systemach elektroenergetycznych. Są duże, charakterystyczne, w zasadzie proste, ale wymagają wielu konserwacji, przez co wydają się znacznie solidniejsze niż „kable”. Na schemacie sieci energetycznej transformatory pełnią rolę węzłów szkieletowych, natomiast inne urządzenia pełnią rolę ich połączeń.

W tym artykule zostaną przedstawione komponenty, zasady, funkcje, klasyfikacja i scenariusze zastosowań transformatorów.

1.Skład transformatora

Transformator składa się głównie z rdzenia i uzwojeń.

Rdzeń służy jako ścieżka obwodu magnetycznego transformatora, natomiast uzwojenia stanowią część obwodu elektrycznego utworzoną przez nawinięcie określonej liczby zwojów drutu-powlekanego emalią.

Ten podłączony do źródła zasilania nazywany jest uzwojeniem pierwotnym, znanym również jako cewka pierwotna. Ten podłączony do obciążenia nazywany jest uzwojeniem wtórnym, znanym również jako cewka wtórna lub uzwojeniem strony wtórnej.

Podstawowe formy struktur rdzeniowych to rdzeń-w kształcie serca i typ skorupy.

• Transformator z rdzeniem-w kształcie serca

Kolumny transformatora rdzeniowego-są otoczone uzwojeniami. Mówiąc najprościej, uzwojenia otaczają rdzeń, dzięki czemu konstrukcja jest stosunkowo prosta oraz łatwiejsza w montażu i izolacji, dlatego w transformatorach często stosuje się konstrukcję typu rdzenia.

• Transformator-typu powłoki

W transformatorze-powłokowym rdzeń otacza uzwojenie. Transformatory płaszczowe-mają dużą wytrzymałość mechaniczną i wystające rogi, ale ich proces produkcyjny jest złożony i wymaga większej ilości materiałów. Zwykle stosuje się je tylko w transformatorach niskiego-napięcia,-wysokoprądowego lub transformatorach mocy o małej-pojemności.

2.Podstawowa zasada działania transformatora

Transformator działa w oparciu o zasadę indukcji elektromagnetycznej.

Gdy do obu końców uzwojenia pierwotnego zostanie podłączony odpowiedni zasilacz prądu przemiennego, pod wpływem napięcia zasilania u₁, prąd przemienny i₀ przepływa przez uzwojenie pierwotne, wytwarzając siłę magnetomotoryczną w uzwojeniu pierwotnym. To wzbudza przemienny strumień magnetyczny ϕ w rdzeniu. Ten przemienny strumień ϕ łączy zarówno uzwojenie pierwotne, jak i wtórne. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej indukowane siły elektromotoryczne e₁i e₂generowane są odpowiednio w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym. Pod wpływem indukowanej siły elektromotorycznej np₂, uzwojenie wtórne może zasilać obciążenie, osiągając transfer energii.

Stosunek indukowanych sił elektromotorycznych w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym jest równy stosunkowi liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym. Wielkość indukowanej siły elektromotorycznej e₁po stronie pierwotnej jest zbliżone do przyłożonego napięcia u₁po stronie pierwotnej, natomiast wielkość indukowanej siły elektromotorycznej e₂po stronie wtórnej jest zbliżone do napięcia wyjściowego u₂po stronie wtórnej.

Dlatego też, zmieniając raz lub dwa razy liczbę zwojów w uzwojeniu pierwotnym lub wtórnym, napięcie wyjściowe u₂można regulować. Jest to podstawowa zasada działania transformatora, który wykorzystuje zasadę indukcji elektromagnetycznej do przekształcenia źródła prądu przemiennego o jednym poziomie napięcia w źródło prądu przemiennego o tej samej częstotliwości, ale innym poziomie napięcia.

2.Podstawowe funkcje transformatora

Podstawowe funkcje transformatora obejmują konwersję napięcia, konwersję prądu, konwersję impedancji, izolację i regulację napięcia.

Transformacja napięcia: Transformatory mogą zwiększać lub zmniejszać napięcie prądu przemiennego, aby zaspokoić różne potrzeby energetyczne. Na przykład transformator-podwyższający służy do zwiększania napięcia z elektrowni w celu zmniejszenia strat energii podczas przesyłu, natomiast transformator-obniżający służy do obniżania wysokiego napięcia do bezpiecznego napięcia użytkowego.

Transformacja prądu: Zmieniając napięcie, transformator odpowiednio zmienia również prąd. Zgodnie z prawem zachowania mocy, gdy napięcie rośnie, prąd maleje i odwrotnie. Ta cecha sprawia, że ​​transformatory są bardzo ważne w przenoszeniu mocy, ponieważ mogą skutecznie zarządzać obciążeniami prądowymi.

Transformacja impedancji: Transformatory mogą zmieniać impedancję obwodu, czyniąc go bardziej odpowiednim dla różnych warunków obciążenia. Jest to szczególnie ważne w sprzęcie audio i innych urządzeniach elektronicznych, gdyż może poprawić efektywność transmisji sygnału.

Izolacja: Transformatory mogą zapewnić izolację galwaniczną, chroniąc bezpieczeństwo sprzętu i użytkowników. Izolacja ta może zapobiec uszkodzeniu sprzętu niskonapięciowego- przez wysokie napięcie, zapewniając bezpieczną pracę sprzętu.

Regulacja napięcia: Niektóre typy transformatorów (takie jak dławiki nasycające) można stosować do regulacji napięcia, pomagając w utrzymaniu stabilności napięcia oraz zapewniając niezawodność i stabilność systemu elektroenergetycznego.

4.Klasyfikacja transformatorów

4.1 Klasyfikacja według pojemności

• Mały transformator: napięcie poniżej 10 kV, moc od 1 do 500 kVA.

• Transformatory małe i średnie-: napięcie 35 kV i mniejsze, moc od 630 do 6300 kVA.

• Transformatory duże: napięcie 110 kV i niższe, moc od 8000 do 63000 kVA.

4.2 Klasyfikacja według zastosowania

• Transformator mocy: używany do zwiększania, zmniejszania, dystrybucji i łączenia wzajemnych mocy w systemach przesyłu i dystrybucji energii lub specjalnie stosowany jako transformatory w elektrowniach i podstacjach.

• Przekładniki przyrządowe: takie jak przekładniki napięciowe i przekładniki prądowe, stosowane w przyrządach pomiarowych i urządzeniach zabezpieczających przekaźniki.

• Transformator mocy: używany do zasilania sterującego, oświetlenia i wskaźników ogólnego sprzętu mechanicznego.

• Transformator elektroniczny: stosowany w obwodach elektronicznych, takich jak zasilacze impulsowe-, systemy audio, impulsowe i dopasowujące impedancję.

• Transformator testowy: zdolny do generowania wysokiego napięcia do przeprowadzania-testów sprzętu elektrycznego pod wysokim napięciem.

• Transformatory specjalne: takie jak transformatory do pieców elektrycznych, transformatory prostownicze, transformatory regulujące napięcie itp.

4.3 Klasyfikacja według liczby faz uzwojeń transformatora

• Transformator-jednofazowy: używany do obciążeń jedno-fazowych i trójfazowych-zespołów transformatorów.

• Transformator-trójfazowy: używany do zwiększania lub zmniejszania napięcia w systemach-trójfazowych.

4.4 Klasyfikacja według metody chłodzenia transformatora

• Transformator-suchy: chłodzony konwekcją powietrzną, zwykle stosowany w transformatorach o małej-pojemności, takich jak lokalne oświetlenie i obwody elektroniczne.

• Transformator-zanurzony w oleju: transformator wykorzystujący olej transformatorowy jako medium izolacyjne i chłodzące, przy czym rdzeń i uzwojenia są całkowicie zanurzone w oleju izolacyjnym.

4.5 Klasyfikacja według typu połączenia uzwojenia transformatora

• Transformator-z podwójnym uzwojeniem: używany do łączenia dwóch poziomów napięcia w systemie elektroenergetycznym.

• Transformator-z trzema uzwojeniami: powszechnie stosowany w regionalnych podstacjach systemu elektroenergetycznego do łączenia trzech poziomów napięcia.

• Autotransformator: Uzwojenia pierwotne i wtórne są połączone w jedno, służące do łączenia systemów elektroenergetycznych o różnych napięciach. Można go także używać jako zwykłego transformatora podwyższającego lub obniżającego-.

4.6 Klasyfikacja według częstotliwości roboczej transformatora

• Transformator częstotliwości sieciowej: jego częstotliwość robocza wynosi 50 Hz lub 60 Hz.
• Przekładnik częstotliwości pośredniej: jego częstotliwość robocza wynosi 400–1000 Hz.
• Transformator częstotliwości audio: jego częstotliwość robocza wynosi 20 Hz–20 kHz.

• Naddźwiękowy transformator częstotliwości: jego częstotliwość robocza przekracza 20 kHz, na ogół nie przekracza 100 kHz.

• Transformator-wysokiej częstotliwości: transformator o częstotliwości roboczej w zakresie od 20 Hz do ponad 100 kHz.

5.Scenariusze zastosowań transformatorów

5.1System zasilania

• Elektrownie: transformatory służą do zwiększania napięcia generowanego przez generatory w celu przesyłania go do sieci energetycznej, umożliwiając-przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości.

• Podstacje: w podstacjach transformatory przekształcają prąd-wysokiego napięcia w prąd-niskiego napięcia, aby zaspokoić potrzeby różnych urządzeń elektrycznych. Jednocześnie transformatory mogą pełnić także funkcje takie jak kompensacja mocy biernej i regulacja napięcia, zapewniając stabilną pracę systemu elektroenergetycznego.

• Linie przesyłowe: w liniach przesyłowych transformatory służą do zwiększania napięcia w celu zmniejszenia strat energii, co pozwala uzyskać wydajną-przesył energii elektrycznej na duże odległości.

5.2 Sektor cywilny

• Energia elektryczna w gospodarstwie domowym: transformatory mocy przekształcają energię elektryczną-o wysokim napięciu w energię elektryczną o niskim-napięciu, odpowiednią do użytku domowego, zapewniając mieszkańcom normalne zużycie energii.

• Ładowanie akumulatorów: niezależnie od tego, czy jest to laptop, telefon czy pojazd elektryczny, urządzenia te wymagają do działania akumulatorów, a ładowanie akumulatorów wymaga transformatora. Główną funkcją transformatora jest regulacja napięcia i zapobieganie przepływowi prądów upływowych lub udarowych przez urządzenia.

5.3 Pole komunikacyjne

Transformatory komunikacyjne są stosowane w obwodach terminali telefonicznych i produktach linii miejskich w celu regulacji jakości i stanu obwodów komunikacyjnych. Ponadto transformatory komunikacyjne są szeroko stosowane w modemach kablowych, kartach sieciowych, koncentratorach, sprzęcie do szerokopasmowej komunikacji xDSL, przełącznikach, transceiverach światłowodowych, routerach, systemach wbudowanych i urządzeniach komunikacyjnych sieci VoIP.

5.4Inne zastosowania specjalne

• Sprzęt audio: Transformatory audio są powszechnie stosowane w celu zapewnienia izolacji sygnałów przepływających przez obwód i dopasowania wartości impedancji źródła i obciążenia. Mogą także eliminować niepożądane lub zaszumione sygnały i filtrować sygnał wejściowy. Transformatory tego typu są specjalnie zaprojektowane do obsługi sygnałów w zakresie słyszalnym, to znaczy sygnałów o częstotliwościach od 20 Hz do 20 kHz.

• Przyrządy pomiarowe: Mierniki prądu, mierniki napięcia i różne inne narzędzia i urządzenia pomiarowe zazwyczaj wykorzystują transformatory do ogólnego działania. Na przykład pomiarowe przekładniki prądowe zapewniają niezbędne bezpieczeństwo obwodu, izolując urządzenie pomiarowe od reszty obwodu i tłumiąc lub obniżając duże prądy do optymalnych wartości przed podaniem ich do amperomierza.

• Prostowanie: transformatory prostownicze mogą przekształcać prąd przemienny na prąd stały do ​​zastosowań obejmujących sterowanie silnikami, górnictwo, piece elektryczne, laboratoria badawczo-rozwojowe,-transmisję prądu stałego wysokiego napięcia i nie tylko.