Niedoskonałość elementów – Transformatory sieciowe

Zgodnie z zapowiedzią z poprzedniego artykułu ER005, mamy teraz omówić niedoskonałości transformatorów. Omówimy transformatory sieciowe, nadal często spotykane w zasilaczach różnych urządzeń elektronicznych.

Transformatory 50Hz

W przypadku transformatorów sieciowych 50Hz interesuje nas przede wszystkim moc maksymalna, jaką może przenieść dany transformator.

W przypadku rzeczywistych transformatorów sieciowych sprawa mocy jest względnie prosta: moc maksymalna jest związana z wielkością i ciężarem. Jednak bliższe zapoznanie się z transformatorem zaskakuje wielu, ponieważ okazuje się, że w zasadzie wielkość rdzenia nie powinna określać mocy maksymalnej. Zanim do tego dojdziemy, musimy przypomnieć, czym jest transformator i jak działa.

Transformator to w najprostszym przypadku dwie cewki nawinięte na wspólnym rdzeniu, przez co są one sprzężone magnetycznie i właśnie przez zmienne pole magnetyczne można przekazywać energię (moc) z jednego uzwojenia do drugiego.

Powszechnie wiadomo, że stosunek napięć i prądów na uzwojeniach wyznaczony jest przez stosunek liczby ich zwojów, czyli przekładnię (p), co dla idealnego transformatora ilustruje rysunek 1.

Hipotetyczny idealny, doskonały transformator miałby liczby zwojów dążące do nieskończoności, co dawałoby nieskończenie wielką indukcyjność obu uzwojeń, a przy tym uzwojenia miałyby zerową rezystancję. Oczywiście idealny transformator mógłby przenieść dowolnie dużą moc.

Rzeczywiste transformatory sieciowe 50Hz mają stosunkowo dużo zwojów. Co zastanawiające, czym mniejsza moc transformatora, tym większa jest liczba zwojów. Dlaczego?

Aby znaleźć odpowiedź, trzeba omówić kwestię tzw. prądu magnesowania. W idealnym transformatorze nieskończenie wielka liczba zwojów oznaczałaby nieskończenie wielką indukcyjność, w szczególności uzwojenia pierwotnego, dołączonego do źródła napięcia sinusoidalnego 50Hz. W rzeczywistym transformatorze indukcyjność L jest ograniczona, więc gdy uzwojenie wtórne nie jest podłączone, przez uzwojenie pierwotne płynie prąd zwany właśnie prądem magnesowania i jego wartość wyznaczona jest przez napięcie U oraz reaktancję indukcyjną X_L uzwojenia pierwotnego (X_L = 2πfL). Na schematach zastępczych zaznacza się to w postaci indukcyjności równoległej do uzwojenia pierwotnego, jak pokazuje rysunek 2.

Prąd magnesowania jest przesunięty względem napięcia o ćwierć okresu – powoduje on okresowe przekazywanie porcji energii ze źródła zasilania do indukcyjności transformatora i z powrotem. W idealnym przypadku prąd magnesowania nie powoduje strat mocy w postaci ciepła, jednak w rzeczywistych transformatorach występują szkodliwe rezystancje. W każdym razie prąd magnesowania, choć nieunikniony, jest bezużyteczny, szkodliwy i powinien być jak najmniejszy. Aby był odpowiednio mały, duża musi być indukcyjność uzwojenia pierwotnego, co oznacza dużą liczbę zwojów.

Najprostsza odpowiedź na postawione wcześniej pytanie mogłaby brzmieć: transformatory o małej mocy mają dużą liczbę zwojów, aby bezużyteczny prąd magnesujący był w nich mały (co wymaga dużej indukcyjności L i dużej reaktancji X_L).

W rzeczywistości sprawa jest dużo bardziej skomplikowana, bo w grę wchodzi problem nasycenia rdzenia. Reaktancja indukcyjna uzwojenia pierwotnego wraz z wartością napięcia pierwotnego wyznacza wartość prądu magnesującego (I_M = U / X_LM). Aby przy danym napięciu zmiennym na wejściu nie doprowadzić do nasycenia małego rdzenia, potrzeba więcej zwojów niż w przypadku rdzenia dużego. Decydujące znaczenie ma nie tyle objętość i masa rdzenia, co jego efektywny przekrój poprzeczny.

Do tego dochodzi drugi problem praktyczny: uzwojenia wykonane są z drutu (najczęściej miedzianego) i mają jakąś rezystancję. Na schemacie zastępczym możemy dodać rezystancje drutu obu uzwojeń jak na rysunku 3a. Reprezentują one głównie rezystancję drutu, czyli tak zwane „straty w miedzi”. Straty w rdzeniu, tak zwane „straty w żelazie”, można byłoby przedstawić jako kolejną rezystancję jak na rysunku 3b.

Choć to trudne do zaakceptowania dla mniej zaawansowanych, w zasadzie to nie rozmiar rdzenia wyznacza moc i prąd maksymalny transformatora. Jak wiadomo, problemem w elementach indukcyjnych jest nasycenie rdzenia, następujące pod wpływem zbyt dużego prądu. Tak, ale w transformatorze – tylko zbyt dużego prądu magnesującego, a nie prądu roboczego. Otóż klasyczny transformator nie gromadzi przenoszonej mocy, tylko na bieżąco przekazuje ją dalej. Można nawet powiedzieć, że prąd roboczy na bieżąco przekazuje na wyjście energię i ten prąd roboczy nie powoduje nasycania rdzenia. Dlatego zasadniczo nawet malutki transformatorek mógłby pracować z dowolnie dużymi prądami roboczymi i przenieść dowolnie dużą moc. Mógłby, gdyby nie zastępcze rezystancje, pokazane na rysunku 3. Rdzenie transformatorów nie są idealne, grzeją się pod wpływem zmiennego pola magnetycznego. Ale główny problem w tym, że czym większe prądy, tym więcej ciepła wydziela się w rezystancjach uzwojeń. A to oznacza wzrost temperatury uzwojeń i rdzenia. Transformator można chwilowo przeciążyć, to znaczy pobrać zeń prąd i moc dużo większe od nominalnych. Najwięcej mocy strat wydziela się przy zwarciu uzwojenia wtórnego.

Moc maksymalna transformatora wyznaczona jest więc ostatecznie przez maksymalną temperaturę, w jakiej może pracować rdzeń, ale przede wszystkim izolacja drutu uzwojeń. Nie można dopuścić do uszkodzenia cieplnego izolacji drutu, a rdzeń nie może mieć zbyt wysokiej temperatury. W grę mogą też wchodzić przepisy lub przyjęte ustalenia, by pracujący transformator nie parzył. Konstruktor, projektujący transformator, musi wziąć pod uwagę szereg czynników i drogą kompromisu wybrać rozwiązanie akceptowalne do danego zastosowania. Szczegóły wykraczają poza ramy niniejszego cyklu.

W każdym razie dla gotowego transformatora sieciowego jego moc maksymalna określona jest przez maksymalną temperaturę, jaką osiąga uzwojenie i rdzeń. Użytkownik nie ma na to wpływu. Dla użytkownika, oprócz mocy maksymalnej, znaczącym parametrem jest też tak zwana „sztywność” transformatora, czyli zależność napięcia na uzwojeniu wtórnym od prądu obciążenia, wynikająca z istnienia szkodliwych rezystancji uzwojeń. Transformator o zerowych szkodliwych rezystancjach byłby „idealnie sztywny”. Transformator o dużych rezystancjach uzwojeń nazywamy bardzo miękkim.

Ogólnie biorąc, transformatory toroidalne (fotografia 4) są uważane za znacznie doskonalsze od transformatorów klasycznych (fotografia 5),

a także od transformatorów z rdzeniem zwijanym (fotografia 6).

Wiadomo, że napięcie wtórne każdego rzeczywistego transformatora sieciowego jest większe od jego katalogowego napięcia nominalnego. Dopiero przy obciążeniu prądem nominalnym (sinusoidalnym) napięcie powinno być równe nominalnemu podanemu w katalogu. Czym bardziej „miękki” jest transformator, tym jego napięcie bez obciążenia jest większe od nominalnego. Transformatory o jednakowej mocy mogą mieć zdecydowanie różną „sztywność”. Najbardziej „sztywne” są transformatory toroidalne, co zwykle jest uważane za zaletę.

Ogólne biorąc, czym mniejsza jest moc nominalna transformatora, tym bardziej jest on miękki z uwagi na niezbędną większą liczbę zwojów. Niektóre klasyczne transformatory o najmniejszych mocach, poniżej 10 watów, celowo są nawijane bardzo cienkim drutem i są tak skrajnie „miękkie”, że nawet przy zwarciu uzwojenia wtórnego prąd zwarciowy jest na tyle mały, że nie przegrzeje takiegotransformatora. Dlatego takie transformatory sa nazywane  zwarciobezpiecznymi.

Dwie podstawowe niedoskonałości transformatorów sieciowych 50Hz, wynikające głównie z obecności szkodliwych rezystancji uzwojeń z rysunku 3a, to ograniczona moc oraz „miękkość”. Moc (ciągła) podana jest w katalogu. Natomiast na podstawie danych katalogowych nie można określić „sztywności” transformatora – trzeba po prostu zmierzyć napięcia w docelowych realnych warunkach pracy.

W kolejnym artykule ER007 omawiamy inne rodzaje transformatorów, gdzie kluczowe znaczenie mają zupełnie inne niedoskonałości.

Piotr Górecki