Warto przeczytać

Transformator to urządzenie, które obniża albo podwyższa napięcie elektryczne. Wykorzystuje do tego zjawisko indukcji elektromagnetycznej, czyli wytwarzanie w obwodzie siły elektromotorycznej (SEM) w momencie, gdy zmienia się strumień pola magnetycznego przechodzący przez ten obwód. Żeby zrozumieć jak działa transformator, należy poznać jego budowę (Rys. 1.).

Na żelazny, wspólny rdzeń transformatora, nawinięte są dwa uzwojenia: pierwotne i wtórne. Jeśli w uzwojeniu pierwotnym będzie płynął prąd przemiennyPrąd przemiennyprąd przemienny, to wytworzy on we wspólnym rdzeniu zmienne pole magnetyczne (wartość indukcji magnetycznej $B$ jest wprost proporcjonalna do wartości natężenia prądu $I$, natomiast kierunek wektora indukcji magnetycznej jest zależny od kierunku przepływu prądu). To zmienne pole magnetyczne spowoduje, że zmienny będzie strumień pola magnetycznego przez uzwojenie wtórne, a więc w uzwojeniu wtórnym wytworzy się SEM indukcji, czyli napięcie wtórne na końcach tego uzwojenia.

RsDC0o2D7WCSf

Rys. 1. przedstawia schemat transformatora w postaci kwadratowej ramki ustawionej pionowo z uzwojeniami na lewym i prawym boku. Ramka w kolorze jasnoszarym, widoczna z boku od góry ma przekrój kwadratowy i jest podpisana na dolnym boku: rdzeń transformatora. Na przedniej ściance umieszczono narysowano zieloną przerywaną linią kwadrat i podpisano: strumień magnetyczny, grecka wielka litera fi. Na lewym ramieniu rdzenia nawinięty jest przewód w kolorze czerwonym wraz z opisem, od góry: uzwojenie pierwotne (na czerwono), liczba zwojów n1, prąd pierwotny I1, napięcie pierwotne U1. Na prawym ramieniu rdzenia nawinięty jest przewód w kolorze niebieskim wraz z opisem, od góry: uzwojenie wtórne (na czerwono), liczba zwojów n2, prąd pierwotny I2, napięcie pierwotne U2.

W najprostszym ujęciu (modelu) transformatora, stosunek obu napięć równy jest stosunkowi liczby zwojów:

gdzie $U_1$ lub $U_{\mathrm{we}}$ oznacza napięcie pierwotne (wejściowe), a z kolei $U_2$ lub $U_{\mathrm{wy}}$ oznacza napięcie wtórne (wyjściowe).

Transformatory znaleźć można w bardzo wielu urządzeniach elektronicznych, dla zasilania których napięcie sieciowe ($230V$) jest zbyt wysokie. Należy wobec tego to napięcie sieciowe obniżyć, co czyni się przy pomocy transformatora. Takie urządzenia domowe, w których obecny jest transformator, to na przykład: telewizory, radioodbiorniki, komputery, odtwarzacze CD, dzwonki do drzwi, kuchenki mikrofalowe. W ostatnim przykładzie, w tak zwanej mikrofalówce, chodzi wyjątkowo o znaczne podwyższenie napięcia. Do wytwarzania fali elektromagnetycznej (mikrofali) o długości rzędu decymetra ($\mathrm{0,1}m$) potrzebna jest specjalna lampa elektronowa,  zwana magnetronem, która musi być zasilana napięciem wynoszącym aż $2000V$.

Transformatory obniżające (nigdy podwyższające!) napięcie mogą znajdować się w zasilaczach albo ładowarkach. Zasilacz często składa się z transformatora i prostownika. Oprócz tego, że musimy obniżyć napięcie, to dodatkowo - gdy zasilane urządzenie wymaga napięcia stałego, a nie przemiennego - musimy „wyprostować” to napięcie. Rozejrzyj się wokół siebie i spróbuj znaleźć urządzenia korzystające z ładowarki albo zasilacza zewnętrznego. Ja zaproponuję poniżej przedstawioną listę, ale z pewnością coś jeszcze dodasz:

• telefon komórkowy,

• laptop,

• interfejs pomiarowy CoachLab (podłączony do komputera),

• ogrodowa piła elektryczna,

• elektryczna szczoteczka do zębów,

• lampki LED np. na choinkę.

Teraz wyjdziemy z domu i rozejrzymy się wokół w poszukiwaniu transformatorów. Są one zawsze oznaczone charakterystycznym znakiem ostrzegającym przed możliwością porażenia prądem.

R1RHIUGxwEoZq

Rys. 2. przedstawia znak ostrzegający przed porażeniem prądem. Trójkąt równoboczny w kolorze żółtym jest otoczony czarną ramką o obłym kształcie. Wewnątrz trójkąta znajduje się błyskawica jako czarna prosta łamana ze strzałką na dole.

Często w terenie można zauważyć stację transformatorową słupową. Pokazuje ją Rys. 3. - transformator widoczny jest tu jak na dłoni. Czasem jednak transformator wraz z osprzętem schowany jest w budynku. Całość tworzy wieżową stację transformatorową, wyglądającą najczęściej jak na Rys. 4.

RO1NEssAvIDLn

Rys. 3. to zdjęcie stacji transformatorowej słupowej w Marianowie. Na tle niebieskiego nieba widać z lewej strony pionowy cementowy słup. Na słupie są metalowe obejmy służące do zawieszenia układu transformatorów wraz z oprzyrządowaniem. Po prawej stronie widoczny fragment korony drzewa liściastego.

R1PCRPHVrrtTh

Rys. 4. to zdjęcie wieży transformatorowej w Woli Hankowskiej. Wieża, widoczna na tle niebieskiego nieba i zielonej roślinności i fragmentów zabudowań, ma postać pionowego cementowego prostopadłościanu widzianego z boku. Na dole wieży zamontowano metalowe drzwi w kolorze brązowym oraz na sąsiedniej ścianie - drzwiczki metalowe na wysokości połowy wysokości drzwi oraz obok - skrzynia metalowa, najprawdopodobniej na piasek. W górnej części ściany zamontowano konstrukcję utrzymującą układ transformatorów od których odchodzą linie elektryczne.

Czasem można spotkać bardzo ładne, a nawet zabytkowe wieże transformatorowe. Elewacje budynków wież transformatorowych bywają też zdobione muralami (zobacz  Rys. 5.).

RUjHSC6j1WrUM

Rys. 5. to zdjęcie wieży transformatorowej w w Grodzisku Mazowieckim. Wieża, widoczna na tle niebieskiego nieba i drzew oraz fragmentów auta zabudowań, ma postać pionowego cementowego prostopadłościanu widzianego z boku. Wieża została pokryta artystycznym tynkiem, który wyobraża okna i balkon z ozdobną balustradą oraz zielone konary drzew.

No dobrze, ale do czego służą te transformatory w terenie? To między innymi dzięki nim masz energię elektrycznąEnergia prądu elektrycznegoenergię elektryczną w domu w postaci napięcia $230V$ w gniazdku sieciowym.

Energia elektryczna wytwarzana jest w generatorach – potężnych prądnicach w elektrowniach. Następnie należy tę energię przetransportować do domów i fabryk. Temu służą gigantyczne energetyczne linie przesyłowe, czyli linie wysokiego napięcia, przedstawione na Rys. 6.

R1aR6PTd47egd

Rys. 6. przedstawia zdjęcie linii wysokiego napięcia. Na tle niebieskiego nieba z białymi obłokami i wynurzających się zza chmur szczytów gór widoczne są metalowe konstrukcje dwóch słupów wraz z licznymi przewodami elektrycznymi.

Ale dlaczego linie przesyłowe są pod wysokim napięciem? MocMoc elektrycznaMoc wydzielana w przewodzie (tak zwana straty mocy) jest wprost proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu elektrycznego przepływającego przez ten przewód. Tak więc musimy spowodować, aby w przewodach płynął prąd o jak najmniejszym natężeniu. Moc elektryczna przekazywana od elektrowni do sieci energetycznej musi pozostać stała, a moc jest iloczynem napięcia i natężenia prądu w linii przesyłowej. Skoro tak, to jedynym sposobem zmniejszenia natężenia prądu jest podwyższenie napięcia.

To dzieje się właśnie w transformatorze na „wyjściu” z elektrowni, gdzie moc dostarczana do uzwojenia pierwotnego (z generatora) jest równa mocy przekazanej do uzwojenia wtórnego, będącego częścią linii przesyłowej.

A oto przykład obliczeniowy, dzięki któremu zrozumiesz lepiej, jak to działa.

Z jednego bloku elektrowni o mocy $2\mathrm{MW}$ chcemy przesłać energię elektryczną do miasta odległego o $200\mathrm{km}$. Opór omowy $1\mathrm{km}$ przewodów wynosi 0,22 Ωomega. Obliczymy moc traconą w linii przesyłowej, jeśli napięcie w tej linii wynosi $100\mathrm{kV}$. Zobaczymy, jaki to będzie procent mocy elektrowni. Najpierw obliczymy całkowity opór linii przesyłowej: $R=\mathrm{0,22}\frac{\Omega }{km}\cdot 200km=44\Omega$ Zakładamy, że moc przekazana z bloku elektrowni do uzwojenia wtórnego transformatora wynosi $2\mathrm{MW}$ (bez strat), czyli $P=U_2{I}_2$. Możemy wobec tego obliczyć wartość natężenia prądu w linii przesyłowej $I_2$

Moc stracona w przewodach $P_{str}=I^{2}R=400A^2\cdot 44\Omega =\mathrm{1,76}\cdot {10}^{4}W$. Jaki to procent mocy wyjściowej z elektrowni?

Jak widać, straty nie są wielkie. Ale zobaczmy co by się stało, gdyby w przesyłowej sieci energetycznej zastosować dwukrotnie niższe napięcie, czyli $50\mathrm{kV}$. Wtedy, przy utrzymaniu stałej wartości mocy, natężenie prądu wzrosłoby dwukrotnie, a straty mocy wzrosłyby 4‑krotnie, czyli wyniosłyby już około 3,5%!

Tak więc, napięcie w liniach przesyłowych należy znacznie podwyższyć, jeśli chcemy mieć jak najmniejsze straty energetyczne w przewodach. Oczywiście przed doprowadzeniem napięcia do domu należy je obniżyć. Czyni się to stopniowo, poprzez średnie napięcia ($1\mathrm{kV}$ – $60\mathrm{kV}$) do niskich napięć ($400V$ – $230V$). Temu właśnie służą stacje transformatorowe słupowe i wieżowe.

Warto wspomnieć jeszcze o zastosowaniach transformatorów, wykorzystujących możliwość uzyskania w uzwojeniu wtórnym prądu o dużym natężeniu. Tak jest w lutownicy transformatorowej i zgrzewarce punktowej. Transformator w tych urządzeniach posiada w uzwojeniu wtórnym mniej zwojów niż w pierwotnym, co daje obniżenie napięcia i tym samym podwyższenie natężenia prądu. Odwrotnie niż w liniach przesyłowych energii elektrycznej, tutaj chcemy, żeby przewody uzwojenia wtórnego grzały się tak, aby cyna w kontakcie z nimi topiła się i możliwa była obróbka termiczna metali.

Jeszcze inną sytuację mamy w takich urządzeniach, jak spawarka transformatorowa, przecinarka plazmowa i transformatorowy piec hutniczy. Tam wykorzystuje się wysokie napięcie wytworzone we wtórnym uzwojeniu transformatora i powstanie przy otwartym obwodzie łukuŁuk elektrycznyłuku plazmowegoPlazmaplazmowego, w którym płynie prąd o bardzo dużym natężeniu i wytwarzana jest bardzo wysoka temperatura. W piecach hutniczych ta temperatura może sięgać $30000°C$.

Słowniczek