Konstrukcja transformatora

Ten obwód magnetyczny, znany bardziej jako „rdzeń transformatora” jest zaprojektowany tak, aby zapewnić drogę przepływu pola magnetycznego, co jest niezbędne do indukcji napięcia pomiędzy dwoma uzwojeniami.

Jednakże ten typ konstrukcji transformatora, w którym dwa uzwojenia są nawinięte na oddzielnych końcach, nie jest zbyt wydajny, ponieważ uzwojenia pierwotne i wtórne są od siebie dobrze odseparowane. Powoduje to niskie sprzężenie magnetyczne pomiędzy dwoma uzwojeniami, jak również duże ilości strumienia magnetycznego wyciekającego z samego transformatora. Jednak oprócz konstrukcji w kształcie litery „O”, istnieją różne typy konstrukcji transformatorów, które są stosowane w celu przezwyciężenia tych nieefektywności, tworząc mniejsze, bardziej kompaktowe transformatory.

Efektywność prostej konstrukcji transformatora może być poprawiona poprzez zbliżenie obu uzwojeń do siebie, co poprawia sprzężenie magnetyczne. Zwiększenie i skoncentrowanie obwodu magnetycznego wokół cewek może poprawić sprzężenie magnetyczne pomiędzy dwoma uzwojeniami, ale ma również wpływ na zwiększenie strat magnetycznych w rdzeniu transformatora.

Oprócz zapewnienia niskiej reluktancji pola magnetycznego, rdzeń jest zaprojektowany w taki sposób, aby zapobiec powstawaniu prądów elektrycznych krążących w samym rdzeniu żelaznym. Prądy krążące, zwane „prądami wirowymi”, powodują nagrzewanie i straty energii w rdzeniu, zmniejszając sprawność transformatora.

Straty te są spowodowane głównie napięciami indukowanymi w obwodzie żelaza, który jest stale poddawany działaniu zmiennych pól magnetycznych ustawionych przez zewnętrzne sinusoidalne napięcie zasilające. Jednym ze sposobów zmniejszenia tych niepożądanych strat mocy jest skonstruowanie rdzenia transformatora z cienkich laminatów stalowych.

We wszystkich typach konstrukcji transformatorów, centralny rdzeń żelazny zbudowany jest z materiału o wysokiej przenikalności, wykonanego z cienkich laminatów stali krzemowej. Te cienkie laminaty są łączone razem w celu zapewnienia wymaganej ścieżki magnetycznej przy minimalnych stratach magnetycznych. Rezystywność samej blachy stalowej jest wysoka, co zmniejsza wszelkie straty związane z prądami wirowymi dzięki temu, że laminaty są bardzo cienkie.

Te stalowe laminaty transformatora różnią się grubością od 0,25 mm do 0,5 mm, a ponieważ stal jest przewodnikiem, laminaty i wszelkie kołki mocujące, nity lub śruby są elektrycznie odizolowane od siebie bardzo cienką warstwą lakieru izolacyjnego lub poprzez zastosowanie warstwy tlenku na powierzchni.

Konstrukcja transformatora Rdzeń

Ogólnie nazwa związana z konstrukcją transformatora zależy od tego, jak uzwojenia pierwotne i wtórne są nawinięte wokół centralnego laminowanego rdzenia stalowego. Dwie najbardziej powszechne i podstawowe konstrukcje transformatorów to transformator z rdzeniem zamkniętym i transformator z rdzeniem płaszczowym.

W transformatorze typu „rdzeń zamknięty” (forma rdzenia), uzwojenia pierwotne i wtórne są nawinięte na zewnątrz i otaczają pierścień rdzenia. W transformatorze typu „płaszczowego” (shell form), uzwojenia pierwotne i wtórne przechodzą wewnątrz stalowego obwodu magnetycznego (rdzenia), który tworzy powłokę wokół uzwojeń, jak pokazano poniżej.

Konstrukcja rdzenia transformatora

W obu typach konstrukcji rdzenia transformatora, strumień magnetyczny łączący uzwojenia pierwotne i wtórne przemieszcza się w całości wewnątrz rdzenia, bez strat strumienia magnetycznego przez powietrze. W konstrukcji transformatora typu rdzeniowego, jedna połowa każdego uzwojenia jest owinięta wokół każdej nogi (lub kończyny) obwodu magnetycznego transformatora, jak pokazano powyżej.

Cewki nie są ułożone w taki sposób, że uzwojenie pierwotne znajduje się na jednej nodze, a wtórne na drugiej, lecz zamiast tego połowa uzwojenia pierwotnego i połowa uzwojenia wtórnego są umieszczone jedno nad drugim koncentrycznie na każdej nodze w celu zwiększenia sprzężenia magnetycznego, pozwalając praktycznie wszystkim liniom sił magnetycznych przechodzić jednocześnie przez uzwojenie pierwotne i wtórne. Jednakże, przy tego typu konstrukcji transformatora, niewielki procent linii sił magnetycznych przepływa poza rdzeń, co nazywane jest „strumieniem upływu”.

Rdzenie transformatorów typu skorupowego przezwyciężają ten strumień upływu, ponieważ zarówno uzwojenie pierwotne jak i wtórne są nawinięte na tej samej środkowej nóżce lub ramieniu, które ma dwa razy większą powierzchnię przekroju poprzecznego niż dwa zewnętrzne ramiona. Zaletą tego rozwiązania jest to, że strumień magnetyczny ma dwie zamknięte ścieżki magnetyczne, którymi może przepływać wokół zewnętrznych cewek po lewej i prawej stronie, zanim powróci z powrotem do cewek centralnych.

Oznacza to, że strumień magnetyczny krążący wokół zewnętrznych kończyn tego typu konstrukcji transformatora jest równy Φ/2. Ponieważ strumień magnetyczny ma zamkniętą drogę wokół cewek, ma to tę zaletę, że zmniejsza straty w rdzeniu i zwiększa ogólną sprawność.

Laminacje transformatora

Można się jednak zastanawiać, w jaki sposób uzwojenia pierwotne i wtórne są nawijane wokół tych laminowanych rdzeni żelaznych lub stalowych w tego typu konstrukcjach transformatorów. Cewki są najpierw nawijane na kształtkę, która ma przekrój cylindryczny, prostokątny lub owalny, aby dopasować się do konstrukcji laminowanego rdzenia. W konstrukcjach transformatorów typu płaszczowego i rdzeniowego, w celu zamocowania uzwojeń cewek, poszczególne laminaty są wytłaczane lub wykrawane z większych arkuszy blachy stalowej i formowane w paski cienkiej stali przypominające litery „E”, „L”, „U” i „I”, jak pokazano poniżej.

Transformatorowe typy rdzenia

Te wytłoczki laminatów po połączeniu razem tworzą wymagany kształt rdzenia. Na przykład, dwa wytłoczki „E” plus dwa zamykające „I” dają rdzeń E-I stanowiący jeden z elementów standardowego rdzenia transformatora płaszczowego. Te pojedyncze laminaty są ciasno łączone ze sobą podczas budowy transformatora w celu zmniejszenia reluktancji szczeliny powietrznej w miejscach połączeń, co daje gęstość strumienia magnetycznego o wysokim nasyceniu.

Laminaty rdzenia transformatora są zwykle układane naprzemiennie względem siebie w celu wytworzenia zachodzącego na siebie złącza, przy czym dodaje się więcej par laminatów w celu uzyskania odpowiedniej grubości rdzenia. Takie naprzemienne układanie laminatów daje również transformatorowi korzyść w postaci zmniejszenia upływu strumienia i strat w żelazie. Konstrukcja transformatora laminowanego z rdzeniem E-I jest najczęściej stosowana w transformatorach separacyjnych, transformatorach step-up i step-down oraz w transformatorach samochodowych.

Układ uzwojeń transformatora

Uzwojenia transformatora stanowią kolejną ważną część konstrukcji transformatora, ponieważ są to główne przewodniki przewodzące prąd, nawinięte wokół laminowanych sekcji rdzenia. W jednofazowym transformatorze dwuuzwojeniowym występują dwa uzwojenia, jak pokazano na rysunku. Jedno, które jest podłączone do źródła napięcia i wytwarza strumień magnetyczny, zwane uzwojeniem pierwotnym, oraz drugie uzwojenie, zwane wtórnym, w którym indukuje się napięcie w wyniku indukcji wzajemnej.

Jeżeli wyjściowe napięcie wtórne jest mniejsze niż wejściowe napięcie pierwotne, transformator jest znany jako „Step-down Transformer”. Jeżeli wtórne napięcie wyjściowe jest większe niż pierwotne napięcie wejściowe, transformator nazywa się „transformatorem podwyższającym”.

Typ drutu używanego jako główny przewodnik prądu w uzwojeniu transformatora jest miedziany lub aluminiowy. Podczas gdy drut aluminiowy jest lżejszy i ogólnie tańszy od miedzianego, do przeniesienia tej samej ilości prądu co w przypadku miedzi należy użyć większej powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika, więc jest on używany głównie w większych zastosowaniach transformatorów mocy.

Małe transformatory mocy i napięcia o mocy kVA używane w niskonapięciowych obwodach elektrycznych i elektronicznych mają tendencję do stosowania przewodników miedzianych, ponieważ mają one większą wytrzymałość mechaniczną i mniejszy rozmiar przewodnika niż równoważne typy aluminiowe. Minusem jest to, że transformatory te są znacznie cięższe w komplecie z rdzeniem.

Uzwojenia i cewki transformatorów można zasadniczo podzielić na cewki koncentryczne i cewki warstwowe. W konstrukcji transformatora rdzeniowego, uzwojenia są zwykle ułożone koncentrycznie wokół rdzenia, jak pokazano powyżej, przy czym uzwojenie pierwotne o wyższym napięciu jest nawinięte na uzwojenie wtórne o niższym napięciu.

Cewki piaskowane lub „naleśnikowe” składają się z płaskich przewodników nawiniętych w formie spirali i są tak nazywane ze względu na ułożenie przewodników w tarcze. Naprzemienne dyski są wykonane w taki sposób, że spirala rozchodzi się od zewnątrz w kierunku środka w układzie przeplatanym, przy czym poszczególne cewki są ułożone razem i oddzielone materiałami izolacyjnymi, takimi jak papier lub arkusz plastiku. Cewki i uzwojenia warstwowe są bardziej powszechne w przypadku konstrukcji rdzeniowej typu płaszczowego.

Uzwojenia spiralne znane również jako uzwojenia śrubowe są kolejnym bardzo powszechnym układem cewek cylindrycznych stosowanych w transformatorach niskiego napięcia i wysokiego prądu. Uzwojenia te składają się z prostokątnych przewodników o dużym przekroju poprzecznym, nawiniętych na boku, z izolowanymi splotami nawiniętymi równolegle w sposób ciągły na długości cylindra, z odpowiednimi przekładkami wstawionymi pomiędzy sąsiednie skręty lub tarcze, aby zminimalizować prądy krążące pomiędzy równoległymi splotami. Cewka rozwija się na zewnątrz jako spirala przypominająca korkociąg.

Izolacja stosowana do zapobiegania zwarciom przewodników w transformatorze jest zwykle cienką warstwą lakieru lub emalii w transformatorach chłodzonych powietrzem. Ten cienki lakier lub emalia jest nakładany na drut przed owinięciem go wokół rdzenia.

W większych transformatorach mocy i rozdzielczych przewodniki są izolowane od siebie za pomocą impregnowanego olejem papieru lub tkaniny. Cały rdzeń wraz z uzwojeniami jest zanurzony i zamknięty w zbiorniku ochronnym zawierającym olej transformatorowy. Olej transformatorowy działa jako izolator, a także jako chłodziwo.

Orientacja kropek transformatora

Nie możemy po prostu wziąć laminowanego rdzenia i owinąć wokół niego jednej z konfiguracji cewek. Możemy, ale może się okazać, że napięcie i prąd wtórny mogą być poza fazą z napięciem i prądem pierwotnym. Dwa uzwojenia cewki mają wyraźną orientację jedno w stosunku do drugiego. Każde z uzwojeń może być nawinięte wokół rdzenia zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, więc aby śledzić ich względne orientacje używa się „kropek” do identyfikacji danego końca każdego uzwojenia.

Ta metoda identyfikacji orientacji lub kierunku uzwojeń transformatora nazywana jest „konwencją kropkową”. Następnie uzwojenia transformatora są nawijane w taki sposób, aby pomiędzy napięciami uzwojeń istniały prawidłowe relacje fazowe, przy czym biegunowość transformatora definiuje się jako względną biegunowość napięcia wtórnego w odniesieniu do napięcia pierwotnego, jak pokazano poniżej.

Konstrukcja transformatora z wykorzystaniem orientacji kropkowej

Pierwszy transformator pokazuje swoje dwie „kropki” obok siebie na dwóch uzwojeniach. Prąd wychodzący z kropki wtórnej jest „w fazie” z prądem wchodzącym do kropki po stronie pierwotnej. Zatem bieguny napięć na końcach kropek są również w fazie, więc kiedy napięcie na kropkowanym końcu cewki pierwotnej jest dodatnie, napięcie na cewce wtórnej jest również dodatnie na kropkowanym końcu.

Drugi transformator pokazuje dwie kropki na przeciwległych końcach uzwojeń, co oznacza, że uzwojenia cewki pierwotnej i wtórnej transformatora są nawinięte w przeciwnych kierunkach. Skutkiem tego jest to, że prąd wychodzący z uzwojenia wtórnego jest o 180o „poza fazą” z prądem wchodzącym do uzwojenia pierwotnego. Tak więc bieguny napięć na końcach kropek są również poza fazą, więc gdy napięcie na kropkowanym końcu cewki pierwotnej jest dodatnie, napięcie na odpowiadającej jej cewce wtórnej będzie ujemne.

Wtedy konstrukcja transformatora może być taka, że napięcie wtórne może być albo „w fazie” albo „poza fazą” w odniesieniu do napięcia pierwotnego. W transformatorach posiadających szereg różnych uzwojeń wtórnych, z których każde jest od siebie elektrycznie odizolowane, ważna jest znajomość polaryzacji punktowej uzwojeń wtórnych, tak aby można je było łączyć w konfiguracje szeregowo wspomagające (napięcie wtórne jest sumowane) lub szeregowo przeciwstawne (napięcie wtórne jest różnicą).

Możliwość regulacji współczynnika skręcenia transformatora jest często pożądana w celu skompensowania skutków zmian pierwotnego napięcia zasilającego, regulacji transformatora lub zmiennych warunków obciążenia. Regulacja napięcia transformatora odbywa się zazwyczaj poprzez zmianę współczynnika skręcenia, a tym samym współczynnika napięcia, przy czym część uzwojenia pierwotnego po stronie wysokiego napięcia jest odczepiana, co umożliwia łatwą regulację. Odgałęzienie jest preferowane po stronie wysokiego napięcia, ponieważ wolty na obrót są niższe niż po stronie wtórnej niskiego napięcia.

Zmiany zaczepów transformatora

W tym prostym przykładzie, zmiany zaczepów pierwotnych są obliczone dla zmiany napięcia zasilania ±5%, ale można wybrać dowolną wartość. Niektóre transformatory mogą mieć dwa lub więcej uzwojeń pierwotnych lub dwa lub więcej uzwojeń wtórnych do wykorzystania w różnych zastosowaniach, zapewniających różne napięcia z jednego rdzenia.

Straty w rdzeniu transformatora

Sprawność żelaza lub stali do przenoszenia strumienia magnetycznego jest znacznie większa niż w powietrzu, a ta zdolność do umożliwienia przepływu strumienia magnetycznego nazywana jest przenikalnością. Większość rdzeni transformatorów jest zbudowana ze stali niskowęglowych, które mogą mieć przenikalność rzędu 1500 w porównaniu do zaledwie 1,0 dla powietrza.

To oznacza, że stalowy rdzeń laminowany może przenosić strumień magnetyczny 1500 razy lepiej niż powietrze. Jednakże, gdy strumień magnetyczny przepływa w stalowym rdzeniu transformatora, w stali występują dwa rodzaje strat. Jeden z nich określany jest jako „straty wiroprądowe”, a drugi jako „straty histerezowe”.

Straty histerezowe

Straty histerezowe transformatora Straty histerezowe są spowodowane tarciem cząsteczek o przepływ linii sił magnetycznych wymaganych do namagnesowania rdzenia, które stale zmieniają swoją wartość i kierunek najpierw w jedną, a potem w drugą stronę ze względu na wpływ sinusoidalnego napięcia zasilającego.

Tarcie molekularne powoduje wydzielanie się ciepła, które stanowi stratę energii dla transformatora. Nadmierne straty ciepła mogą z czasem skrócić żywotność materiałów izolacyjnych użytych do produkcji uzwojeń i konstrukcji. Dlatego chłodzenie transformatora jest ważne.

Transformatory są również zaprojektowane do pracy przy określonej częstotliwości zasilania. Obniżenie częstotliwości zasilania spowoduje wzrost histerezy i wzrost temperatury w rdzeniu żelaznym. Tak więc zmniejszenie częstotliwości zasilania z 60 do 50 Hz spowoduje zwiększenie histerezy i zmniejszenie mocy VA transformatora.

Straty wiroprądowe

Straty wiroprądowe transformatora są natomiast spowodowane przepływem prądów wirowych indukowanych w stali w wyniku przepływu strumienia magnetycznego wokół rdzenia. Prądy krążące powstają w wyniku oddziaływania strumienia magnetycznego na rdzeń, który zachowuje się jak pojedyncza pętla drutu. Ponieważ żelazny rdzeń jest dobrym przewodnikiem, prądy wirowe indukowane w litym żelaznym rdzeniu będą duże.

Prądy wirowe nie przyczyniają się do użyteczności transformatora, lecz przeciwstawiają się przepływowi indukowanego prądu, działając jak siła ujemna generująca ogrzewanie rezystancyjne i straty mocy w rdzeniu.

Laminowanie rdzenia żelaznego

Straty prądu stałego w rdzeniu transformatora nie mogą być całkowicie wyeliminowane, ale mogą być znacznie zredukowane i kontrolowane poprzez zmniejszenie grubości rdzenia stalowego. Zamiast jednego dużego litego rdzenia żelaznego jako materiału magnetycznego rdzenia transformatora lub cewki, ścieżka magnetyczna jest podzielona na wiele cienkich sprasowanych stalowych kształtów zwanych „laminatami”.

Laminaty stosowane w konstrukcji transformatora są bardzo cienkimi paskami izolowanego metalu połączonymi razem w celu wytworzenia solidnego, ale laminowanego rdzenia, jak widzieliśmy powyżej. Laminaty te są izolowane od siebie warstwą lakieru lub papieru w celu zwiększenia efektywnej rezystywności rdzenia, zwiększając w ten sposób całkowitą rezystancję ograniczającą przepływ prądów wirowych.

W wyniku tej izolacji niepożądane straty mocy wywołane przez prądy wirowe w rdzeniu są znacznie zmniejszone, i to właśnie z tego powodu obwody żelaza magnetycznego każdego transformatora i innych maszyn elektromagnetycznych są laminowane. Zastosowanie laminatów w konstrukcji transformatora zmniejsza straty na prądy wirowe.

Straty energii, która pojawia się jako ciepło zarówno z powodu histerezy, jak i prądów wirowych w ścieżce magnetycznej, jest powszechnie znana jako „straty w rdzeniu transformatora”. Ponieważ straty te występują we wszystkich materiałach magnetycznych w wyniku działania zmiennych pól magnetycznych. Straty w rdzeniu transformatora są zawsze obecne w transformatorze, kiedy tylko uzwojenie pierwotne jest pod napięciem, nawet jeśli do uzwojenia wtórnego nie jest podłączone żadne obciążenie. Również te straty histerezowe i wiroprądowe są czasami określane jako „straty w żelazie transformatora”, ponieważ strumień magnetyczny powodujący te straty jest stały przy wszystkich obciążeniach.

Straty miedziowe

Istnieje również inny rodzaj strat energii związany z transformatorami, zwany „stratami miedziowymi”. Straty miedzi w transformatorach wynikają głównie z oporu elektrycznego uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Większość cewek transformatora jest wykonana z drutu miedzianego, który ma rezystancję wyrażoną w Ohmach ( Ω ). Opór ten przeciwstawia się prądom magnesującym płynącym przez nie.

Gdy obciążenie jest podłączone do uzwojenia wtórnego transformatora, duże prądy elektryczne płyną zarówno w uzwojeniu pierwotnym, jak i wtórnym, straty energii elektrycznej i mocy (lub I2 R ) występują w postaci ciepła. Generalnie straty miedzi zmieniają się wraz z prądem obciążenia, będąc prawie zerowe przy braku obciążenia i maksymalne przy pełnym obciążeniu, kiedy przepływ prądu jest maksymalny.

A transformator VA rating może być zwiększony poprzez lepszy projekt i konstrukcję transformatora, aby zmniejszyć te straty rdzenia i miedzi. Transformatory o wysokich wartościach znamionowych napięcia i prądu wymagają przewodników o dużym przekroju, aby pomóc zminimalizować straty miedzi. Zwiększenie szybkości rozpraszania ciepła (lepsze chłodzenie) przez wymuszone powietrze lub olej, lub przez poprawę izolacji transformatora tak, aby wytrzymywał wyższe temperatury, może również zwiększyć wartość VA transformatora.

Wtedy możemy zdefiniować idealny transformator jako posiadający:

• Brak pętli histerezy lub strat histerezowych → 0
• Nieskończona rezystywność materiału rdzenia dająca zerowe straty wiroprądowe → 0
• Zerowa rezystancja uzwojenia dająca zerowe straty miedzi I2*R → 0

W następnym poradniku na temat transformatorów przyjrzymy się obciążeniu uzwojenia wtórnego transformatora w odniesieniu do obciążenia elektrycznego i zobaczymy, jaki jest efekt „NO-.obciążenie” i „obciążenie włączone” transformatora ma wpływ na prąd uzwojenia pierwotnego.