Podstawy Transformerów
W tym dokumencie wyjaśniono podstawową teorię i działanie transformatorów.
AKTUALIZACJA 29 SIERPNIA 2024
1. Wprowadzenie do Transformerów
Transformatory są niezbędnymi elementami układów elektrycznych i elektronicznych.
Zapewniając izolację elektryczną i wykonując istotne zadanie transformacji napięć i prądu. Mimo że proces projektowania może być czasami postrzegany jako „sztuka”, ich konstrukcja i funkcjonalność opierają się na podstawowych zasadach fizyki.
W tym artykule omówiono podstawy teorii, działania i wydajności transformatorów, oferując wgląd w ich główne cechy i praktyczne rozważania.
2. Podstawowa teoria transformatorów
Transformatory zapewniają izolację elektryczną pomiędzy obwodami, co jest kluczowe dla bezpieczeństwa i funkcjonalności w różnych zastosowaniach.
Transformator składa się z rdzenia magnetycznego i nawiniętych wokół niego cewek pierwotnych i wtórnych.
Po przyłożeniu napięcia przemiennego do cewki pierwotnej powstaje prąd przemienny, który odpowiada zmiennemu strumieniowi magnetycznemu w rdzeniu.
Strumień ten indukuje napięcie w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym, co potwierdza prawo indukcji Faradaya.
Na powyższym rysunku przedstawiono podstawowe elementy transformatora: rdzeń magnetyczny oraz uzwojenie pierwotne i wtórne nawinięte na ramionach rdzenia magnetycznego.
Napięcie przemienne (Vp) przyłożone do uzwojenia pierwotnego powoduje przepływ prądu przemiennego (Ip) przez uzwojenie pierwotne.
Prąd ten wytwarza zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu magnetycznym.
Ten zmienny strumień magnetyczny indukuje napięcie w każdym zwoju uzwojenia pierwotnego i w każdym zwoju uzwojenia wtórnego.
Ponieważ strumień jest stały, tzn. taki sam zarówno w strumieniu pierwotnym, jak i wtórnym:
To równanie pokazuje, że transformator można wykorzystać do podwyższania lub obniżania napięcia prądu przemiennego poprzez kontrolowanie stosunku zwojów pierwotnych do zwojów wtórnych. (Działanie transformatora napięciowego).
Można również wykazać, że:
Pierwotne woltoampery = wtórne woltoampery
To równanie pokazuje, że transformator można wykorzystać do podwyższania lub obniżania prądu przemiennego poprzez kontrolowanie stosunku zwojów pierwotnych do wtórnych.
(Działanie transformatora prądowego)
Należy zauważyć, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym.
Transformator zapewnia zatem sposób izolowania jednego obwodu elektrycznego od drugiego.
Cechy te - transformacja napięcia/prądu i izolacja - nie mogą być osiągnięte efektywnie żadnymi innymi sposobami, w związku z czym transformatory są stosowane niemal w każdym urządzeniu elektrycznym i elektronicznym na świecie.
3. Krzywe BH
Właściwości magnetyczne materiału rdzenia mają duży wpływ na wydajność transformatora. Gdy uzwojenie pierwotne transformatora jest zasilane, prąd magnesujący wytwarza siłę magnesującą (H), która generuje strumień magnetyczny (B) w rdzeniu. Ta relacja między B i H jest przedstawiona na krzywej BH materiału.
Siła magnesująca (H) jest równa iloczynowi prądu magnesującego i liczby zwojów i jest wyrażana w amperach - zwoje.
Krzywe BH ilustrują gęstość strumienia jako funkcję siły magnesującej, co oznacza, że wraz ze wzrostem (H) wzrasta (B) aż do momentu nasycenia materiału rdzenia.
W stanie nasycenia dalsze zwiększanie (H) nie powoduje znaczącego wzrostu (B), dlatego projektowanie transformatorów do pracy poniżej punktu nasycenia jest kluczowe dla zapewnienia wydajnej pracy.
Z krzywej BH wynika, że wraz ze wzrostem siły magnesującej od zera strumień rośnie aż do pewnej maksymalnej wartości strumienia.
Powyżej tego poziomu dalsze zwiększanie siły magnesującej nie powoduje znaczącego wzrostu strumienia. Mówi się, że materiał magnetyczny jest „nasycony”.
Transformator jest zazwyczaj projektowany w taki sposób, aby gęstość strumienia magnetycznego była niższa od poziomu powodującego nasycenie.
Gęstość strumienia można określić za pomocą następującego równania:
Gdzie:
E oznacza wartość skuteczną napięcia przyłożonego.
N oznacza liczbę zwojów uzwojenia.
B przedstawia maksymalną wartość gęstości strumienia magnetycznego w rdzeniu (Tesla).
A przedstawia powierzchnię przekroju poprzecznego materiału magnetycznego w rdzeniu (w metrach kwadratowych).
f oznacza częstotliwość przyłożonych woltów.
Notatka
1 Tesla = 1 Weber/metr²
1 Weber/m² = 10 000 Gaussów
1 amperobrót na metr = 4 piksele 10-3 Oersteda
W praktyce wszystkie materiały magnetyczne, raz namagnesowane, zachowują część swojego namagnesowania, nawet gdy siła magnesująca zmniejszy się do zera.
Efekt ten znany jest jako „remanencja” i powoduje, że krzywa BH dla materiału wykazującego inną reakcję na malejącą siłę magnetyczną niż reakcja na rosnącą siłę magnetyczną.
W praktyce rzeczywiste materiały magnetyczne mają następującą krzywą BH:
Pokazana powyżej krzywa jest nazywana pętlą „histerezy” materiału i przedstawia rzeczywistą odpowiedź BH materiału. (Pierwsza krzywa BH przedstawia średnią lub średnią rzeczywistej odpowiedzi pętli BH).
Nachylenie krzywej BH, poziom nasycenia i rozmiar pętli histerezy zależą od rodzaju użytego materiału i innych czynników.
Ilustrują to poniższe przykłady:
 | Rdzeń z żelaza niskiej jakości Wysoka gęstość strumienia nasycenia Duża pętla = duża strata histerezy Nadaje się do 50/60Hz |
 | Rdzeń z wysokiej jakości żelaza Wysoka gęstość strumienia nasycenia Pętla średnia = średnia strata histerezy Nadaje się do transformatorów 400 Hz |
 | Rdzeń ferrytowy - brak szczeliny powietrznej Gęstość strumienia średniego nasycenia Mała pętla = mała strata histerezy Nadaje się do transformatorów o wysokiej częstotliwości |
 | Rdzeń ferrytowy - duża szczelina powietrzna Mała pętla = mała strata histerezy Nadaje się do cewek indukcyjnych o wysokiej częstotliwości i dużym prądzie stałym |
4. Strata histerezy
Krzywa BH wykazuje zjawisko zwane histerezą.
Jest to zjawisko, w którym namagnesowanie materiału rdzenia pozostaje w tyle za siłą magnesującą – straty energii wynikające z tego zjawiska nazywane są stratami histerezowymi.
Materiały o większych pętlach histerezy generują większe straty.
Strata ta jest reprezentowana przez obszar zamknięty wewnątrz pętli histerezy BH.
Dlatego rdzenie transformatorów projektuje się z materiałów o niskich stratach histerezy, co pozwala na zwiększenie sprawności.
5. Strata prądów wirowych
Prądy wirowe (nazywane również prądami Foucaulta) to pętle prądu elektrycznego indukowane w materiale rdzenia przez zmienny strumień magnetyczny.
Prądy te powodują straty rezystancyjne, które prowadzą do nagrzewania się rdzenia. Są one znane jako straty wirowe, gdyż wyglądają jak wiry.
Aby zminimalizować straty, rdzenie transformatorów wykonuje się z blach laminowanych lub materiałów ferrytowych, które ograniczają ścieżki przepływu tych prądów.
6. Schemat równoważny transformatora
Idealny transformator z jednym uzwojeniem pierwotnym i dwoma uzwojeniami wtórnymi można przedstawić w sposób pokazany poniżej
Taki transformator ma następujące cechy:
- Bez strat
- Idealne sprzężenie pomiędzy wszystkimi uzwojeniami
- Nieskończona impedancja obwodu otwartego (tj. brak prądu wejściowego, gdy uzwojenia wtórne są otwarte).
- Nieskończona izolacja między uzwojeniami
W praktyce transformatory różnią się od idealnego modelu różnymi nieidealnymi cechami. Obwody równoważne transformatorów obejmują następujące aspekty:
- Rezystancje uzwojenia
- Pojemności
- Straty rdzeniowe
- Indukcyjność magnetyczna
- Indukcyjności upływu
Zmienne te pomagają w prognozowaniu wydajności transformatora i odchyleń od idealnego modelu.
Wiele z tych charakterystyk można przedstawić za pomocą obwodu równoważnego transformatorowi:
Gdzie:
R1, R2, R3 przedstawiają rezystancję drutu nawojowego.
C1, C2, C3 przedstawiają pojemność pomiędzy uzwojeniami.
Rp oznacza straty spowodowane prądami wirowymi i stratami histerezy. Są to rzeczywiste straty mocy, czasami nazywane stratami rdzenia, które można zmierzyć, wykonując pomiar mocy w obwodzie otwartym. Ponieważ nie ma prądu obciążenia, strata miedzi I 2 R w uzwojeniu pod napięciem jest bardzo mała, a waty mierzone bez obciążenia są niemal w całości spowodowane przez rdzeń.
Lp oznacza impedancję spowodowaną prądem magnesującym. Jest to prąd, który generuje siłę magnesującą, H, używaną w diagramach pętli BH. Należy zauważyć, że ten prąd może nie być prostą falą sinusoidalną, ale może mieć zniekształcony, szczytowy kształt, jeśli transformator jest obsługiwany w nieliniowym obszarze krzywej BH. Zwykle ma to miejsce w przypadku transformatorów o częstotliwości liniowej, typu laminat.
L1, L2, L3 oznaczają indukcyjność upływu każdego z uzwojeń. (Omówiono to szczegółowo w Voltech Note 104-105, „Indukcyjność upływu”.)
7. Wnioski
Schemat zastępczy transformatora odzwierciedla rzeczywiste właściwości obwodu magnetycznego składającego się z rdzenia i uzwojeń.
Dzięki temu obwód zastępczy można z powodzeniem stosować do zrozumienia i przewidywania parametrów elektrycznych transformatora w różnych sytuacjach.
Poznanie podstawowych zasad i praktycznych zagadnień dotyczących działania transformatorów pozwala inżynierom na efektywne projektowanie, testowanie i stosowanie transformatorów w różnych zastosowaniach.
8. Dalsza lektura
Zrozumienie równoważnego obwodu transformatora umożliwia inżynierom analizę i przewidywanie jego wydajności elektrycznej w różnych warunkach eksploatacyjnych. Pomaga również w optymalizacji procesów projektowania i testowania, zapewniając, że transformatory spełniają standardy jakości i wydajności.
Dalsze uwagi techniczne w tej serii omawiają, w jaki sposób parametry obwodów zastępczych służą do przeprowadzania praktycznych testów transformatorów w celu zagwarantowania ich jakości w środowisku produkcyjnym.