Transformacja i płonący zwój
Transformator
Czym jest transformator? Spróbujmy określić znaczenie tego słowa w sposób etymologiczny. Już na pierwszy rzut oka kojarzy się ono z transformacją czyli przemianą jakiegoś typu. I rzeczywiście, słowo to pochodzi od łacińskiego transformare czyli przekształcać. Transformator jest więc maszyną elektryczną, której zadaniem jest zmiana poziomów napięć lub prądów w obwodach prądu zmiennego.
Transformator działa na zasadzie przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem pierwotnej częstotliwości. Zwykle zmieniane jest równocześnie napięcie elektryczne. Wyjątkiem jest jedynie transformator separacyjny, który nie zmienia napięcia.
Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami), nawiniętych na wspólny rdzeń magnetyczny wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego. Oba obwody są zazwyczaj odseparowane galwanicznie. Oznacza to, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest wyłącznie przez pole magnetyczne skupione w rdzeniu. Budowę prostego transformatora obrazuje schemat:
Zasada działania transformatora jest bardzo prosta. Uzwojenie pierwotne podłączone jest do źródła prądu przemiennego. Powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienny strumień pola magnetycznego, przewodzony przez rdzeń transformatora, przepływa przez uzwojenie wtórne. Zmiana strumienia pola magnetycznego w cewkach wtórnych wywołuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej – powstaje w nich zmienna siła elektromotoryczna.
Pomiędzy liczbą zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego, a napięciami po stronie pierwotnej i wtórnej zachodzi ścisły związek. Jeśli napięcia oznaczymy U, zaś liczby zwojów n, przy czym indeks 1 oznacza stronę pierwotną, zaś 2 wtórną to zachodzi równość:
U1/U2=n1/n2
Jeśli n1=n2 to napięcie wtórne jest równe pierwotnemu (U1=U2). I właśnie taki transformator nazywamy separującym. W każdym innym przypadku napięcie wtórne jest różne od pierwotnego: większe (n2n1), lub mniejsze (n1n2). Tak więc transformator umożliwia zmianę (transformację) wysokości napięcia prądu zmiennego.
A jaka jest sytuacja w przypadku wartości prądów po obu stronach transformatora? Cofnijmy się trochę i przypomnijmy sobie zasadę zachowania energii. Jak pamiętamy, energia nie może powstać z niczego (problem sławetnego perpetuum mobile), ani też zniknąć bezpowrotnie. Dostosowując to do prądu elektrycznego możemy powiedzieć, że w przypadku mocy prądu elektrycznego po obu stronach transformatora musi zajść równość:
P1=P2
Moc pobrana na uzwojeniu pierwotnym musi być równa mocy oddanej z uzwojenia wtórnego. Nie bierzemy tutaj jednak pod uwagę strat występujących w układach rzeczywistych, a powodowanych na przykład prądami wirowymi w rdzeniu lub otaczających go, metalowych przedmiotach. Pamiętając, że moc prądu elektrycznego jest określona wzorem P=I*U łatwo wyprowadzamy, że:
I2/I1=n1/n2
Widzimy, że zależność dla prądu jest odwrotna niż dla napięcia. Oznacza to, że transformator nie jest żadnym perpetuum mobile: za jego pomocą możemy zwiększyć napięcie, lecz spowoduje to jednocześnie spadek prądu i vice versa.
Pamiętajmy też, że przepływ prądu elektrycznego przez przewodnik powoduje jego nagrzewanie. Nagrzewanie to jest tym większe, im większa jest wartość tego prądu.
Pokaz!
Ostrzeżenie: Ten pokaz wykorzystujący układ ZVS jest bezpieczniejszy od innych ponieważ nie występuje tutaj wysokie napięcie. Dochodzi jednak do bardzo silnego rozgrzewania pierścienia z drutu i dlatego należy zachować ostrożność. Pokaz należy przeprowadzić na niepalnej powierzchni, z dala od palnych materiałów. Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Spróbujmy wykorzystać tę wiedzę w praktyce. Chcąc osiągnąć jak największe nagrzewanie się po stronie wtórnej musimy uzyskać dużą wartość prądu w tym uzwojeniu. Korzystając z powyższych wzorów znajdujemy, że w takim wypadku uzwojenie wtórne musi zawierać mniej zwojów niż po stronie pierwotnej - w takim wypadku powstanie niższe napięcie, ale większy prąd. Redukując liczbę zwojów uzwojenia wtórnego dochodzimy do momentu kiedy będzie ono zawierało tylko jeden zwój:
W takim wypadku napięcie wyjściowe będzie tyle razy mniejsze od wejściowego ile zwojów zawiera uzwojenie pierwotne (a prąd tyleż razy większy). Dobrym źródłem prądu zmiennego jest zbudowany na podstawie opisu z mojej strony generator ZVS. Z rdzenia ferrytowego w tym przypadku zdejmujemy uzwojenie wysokonapięciowe i zamiast niego zakładamy pierścień wykonany z dosyć grubego drutu. Po uruchomieniu przetwornicy drut z powodu dużej wartości prądu w nim zaindukowanego rozgrzeje się do czerwoności. Przy większym mocach stopieniu ulega wtedy nawet drut stalowy o średnicy 0,5mm co wymaga naprawdę wysokiej temperatury. Pierścień nie powinien być ciasno nasunięty na rdzeń ponieważ może on pęknąć od silnie nagrzanego drutu. Poniżej przedstawiam mój filmik. Pierścień został wykonany z drutu stalowego i bardzo szybko nagrzał się do białości i uległ stopieniu.
Obwód uzwojenia wtórnego zostaje przerwany w momencie stopienia drutu, przez co dalsze ogrzewanie nie zachodzi.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Hameyer K., Electrical Machines I: Basics, Design, Function, Operation, RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines, 2001, str. 11–12
- Knowlton A.E., Standard Handbook for Electrical Engineers (8th ed.), McGraw-Hill, 1949
- Latek W., Zarys maszyn elektrycznych. Tom I, Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1974, str. 26-29
- Plamitzer A.M., Maszyny elektryczne, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1982, str. 35
Marek Ples