Budowa i działanie transformatora

Transformator to urządzenie wykorzystywane do zmiany właściwości przepływającego prądu (czyli wartość napięcia, ale też natężenia elektrycznego wejściowego na wymaganą wartość wyjściową). Także jest to element przekształcający energię, między innymi, stosowany do zmiany napięcia pomiędzy kolejnymi etapami przesyłu energii elektrycznej. Tym urządzeniom warto przyjrzeć się bliżej. Jak jest zbudowany i jak działa transformator?

Bezpieczne przekazywanie energii

Transformator to podstawowy element przenoszący energię z jednego obwodu elektrycznego na drugi. Energia jest przekazywana za pośrednictwem pola magnetycznego – między dwoma uzwojeniami, które znajdują się blisko siebie. Obwody, pomiędzy którymi przekazywana jest energia, są oddzielone od siebie, a uzwojenia mają izolację. Dzięki temu transformatory mogą działać w sposób bezpieczny, zapobiegając możliwości porażenia użytkownika prądem elektrycznym.

Jaka jest budowa transformatora?

Główne elementy budowy transformatora to stalowy, ferromagnetyczny rdzeń oraz dwa uzwojenia umieszczone blisko siebie, nazywane pierwotnym i wtórnym. Mogą być wykonane z aluminiowych lub miedzianych izolowanych przewodów. Rdzeń jest obwodem magnetycznym i przewodzi strumień magnetyczny. Składa się z kolumn połączonych jarzmami, na które nawinięte jest uzwojenie. Rdzeń jest wykonany z cienkich izolowanych blach, nasyconych krzemem. Dzięki temu możliwe jest zmniejszenie strat powstających na skutek prądów wirowych.

Energia przekazywana przez pole magnetyczne

Zwykle uzwojenie stosowane jest w formie koncentrycznych cylindrów osadzonych na jednej kolumnie. Uzwojenie dolne jest osadzane bezpośrednio na kolumnie, natomiast uzwojenie górne tworzone jest na dolnym. Budowa transformatora pozwala zachować izolację kolumny oraz izolację pomiędzy samymi uzwojeniami, które separowane jest galwanicznie. W związku z tym nie występuje między nimi połączenie elektryczne, a energia jest przekazywana za pomocą pola magnetycznego.

Jak działa transformator i na co wpływa?

Zmiana właściwości energii elektrycznej wymaga jej doprowadzenia do uzwojeń transformatora. Uzwojenie pierwotne jest podłączane do źródła prądu, co skutkuje przepływem energii i powstaniem zmiennego pola magnetycznego. Rdzeń transformatora przewodzi zmienny strumień pola magnetycznego, które przepływa przez uzwojenie wtórne. Takie działanie transformatora, a więc zmiana w uzwojeniu wtórnym, powoduje powstanie indukcji elektromagnetycznej i zmiennej siły elektromotorycznej. Energia jest w ten sposób przekształcana, a poziom jej zmiany zależy od ilości zwojów, jakie posiadają uzwojenia.

Transformatory obniżające i podwyższające napięcie

Jeśli liczba zwojów uzwojenia pierwotnego jest większa od wtórnego, indukowane napięcie okaże się niższe od napięcia pierwotnego. Takie urządzenie jest określane jako transformator obniżający napięcie. W sytuacji odwrotnej napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego i jest to transformator podwyższający napięcie. W niektórych przypadkach stosowane są również autotransformatory, w których funkcję obu uzwojeń pełni uzwojenie pojedyncze. Takie maszyny są używane, między innymi, w elektroenergetyce.

Transformatory elektroenergetyczne

Transformatory elektroenergetyczne to największe urządzenia pod względem wymiarów oraz możliwości w zakresie przenoszonych mocy. Są elementami łączącymi różne węzły systemu elektroenergetycznego, które pracują przy zachowaniu różnych poziomów napięć. W Polsce stosowane są transformatory trójfazowe, które na rdzeniu nawinięte mają po trzy uzwojenia dla każdego z obwodów – dolnego i górnego. Uzwojenia te mogą być łączone w formie trójkąta, gwiazdy izolowanej lub gwiazdy uziemionej.

Skuteczne dostarczanie energii do odbiorców

Przekształcanie napięć w systemie elektroenergetycznym jest wykonywane także w celu zmniejszenia strat przesyłowych na liniach energetycznych. Ponadto stosowane są przesuwniki fazowe, czyli transformatory pozwalające na regulację przesunięcia fazowego w celu zmiany rozpływów mocy czynnej i biernej. Działanie transformatora pozwala łączyć ze sobą sieci najwyższego napięcia (400 kV i 220 kV), sieci wysokiego napięcia (110 kV), sieci średniego napięcia (6, 10, 15 i 20 kV) oraz sieci niskiego napięcia (0,23 i 0,4 kV).

Transformatory wykorzystywane są do zmiany wartości napięcia przepływającego prądu. Urządzenia te są umieszczane na wszystkich etapach sieci przesyłowej. W energetyce są używane do rozdziału energii oraz jej transportu na liniach o mniejszych napięciach. W ten sposób energia może być skutecznie dostarczana do odbiorców końcowych.