Trafo on elektromagnetiline seade, mida kasutatakse ühe pinge ja sagedusega vahelduvvoolu muundamiseks teise (või samaväärse) pinge ja sama sagedusega vahelduvvooluks.
Sisu
Trafo disain ja töö
Kõige lihtsamal kujul trafo on primaarmähis mähiste arvuga W1 ja teisejärguline koos W-ga2. Energia tarnitakse primaarmähisesse, koormus on ühendatud sekundaarmähisega. Energia edastatakse elektromagnetilise induktsiooni teel. Elektromagnetilise sidestuse tõhustamiseks asetatakse mähised enamikul juhtudel suletud südamikule (magnetsüdamikule).
Kui vahelduvpinge U1siis vahelduvvool I1mis tekitab südamikus sama kujuga magnetvoo F. See magnetvoog kutsub sekundaarmähises esile EMF-i. Kui sekundaarahelaga on ühendatud koormus, siis sekundaarvool I2.
Sekundaarmähise pinge määratakse keerdude suhtega W1 ja W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, kus k teisendussuhe.
Kui k <1, siis U2> U1, ja sellist trafot nimetatakse astmeliseks trafoks. Kui k>1, siis U2<>1, see trafot nimetatakse astmeliseks trafoks. Kuna trafo väljundvõimsus on võrdne sisendvõimsusega (miinus kaod trafos endas), siis võib öelda, et Rf=Rin, U1* mina1=U2* mina2 ja mina2=I1*k=I1*(W1/W2). Seega on kadudeta trafos sisend- ja väljundpinged otseselt võrdelised mähise keerdude suhtega. Ja voolud on selle suhtega pöördvõrdelised.
Trafol võib olla rohkem kui üks erinevate suhetega sekundaarmähis. Näiteks kodumajapidamises kasutatavate lambipirnide toiteks mõeldud 220-voldine trafo võib olla ühe sekundaarmähisega, nt. 500 volti anoodiahelate varustamiseks ja 6 volti hõõglampide toiteks. Esimesel juhul k<1, teisel juhul k>1.
Trafo töötab ainult vahelduvpingega - et sekundaarmähises tekiks EMF, peab magnetvoog muutuma.
Trafode südamike tüübid
Praktikas ei kasutata mitte ainult määratud kujuga südamikke. Sõltuvalt seadme otstarbest saab magnetsüdamikke valmistada erineval viisil.
Põhisüdamikud
Madalsageduslikud trafo südamikud on valmistatud tugevate magnetiliste omadustega terasest. Pöörisvoolude vähendamiseks on südamiku massiiv kokku pandud üksikutest plaatidest, mis on üksteisest elektriliselt isoleeritud. Kõrgetel sagedustel töötamiseks kasutatakse muid materjale, näiteks ferriite.
Eespool käsitletud südamikku nimetatakse varrasüdamikuks ja see koosneb kahest vardast. Ühefaasiliste trafode puhul kasutatakse ka kolmetuumalisi südamikke. Neil on väiksem magnetvoog ja suurem efektiivsus. Sel juhul asetatakse nii primaar- kui ka sekundaarmähis kesksüdamikule.
Kolmefaasilisi trafosid valmistatakse ka kolmefaasilistel südamikel. Iga faasi primaar- ja sekundaarmähis on igaüks oma südamikus. Mõnel juhul kasutatakse viietuumalisi südamikke.Mähised on paigutatud täpselt samamoodi, primaar- ja sekundaarmähised kumbki oma südamikus ning mõlemal küljel olevat kahte kõige välimist varda kasutatakse ainult teatud režiimides magnetvoogude lühistamiseks.
Soomustatud
Ühefaasilised trafod on valmistatud soomustatud südamikus - mõlemad mähised on paigutatud magnetsüdamiku kesksüdamikule. Sellises südamikus olev magnetvoog lühistatakse sarnaselt kolmetuumalise konstruktsiooniga - läbi külgseinte. Hajumisvoog on sel juhul väga väike.
Selle konstruktsiooni eelised hõlmavad mõningast suuruse ja kaalu suurenemist, mis on tingitud võimalusest südamikuakna mähise abil tihedamalt täita, seega on väikese võimsusega trafode tootmiseks kasulik kasutada soomustatud südamikke. Selle tagajärjeks on ka lühem magnetahel, mis vähendab tühikäigukadusid.
Puuduseks on keerulisem juurdepääs mähistele kontrollimiseks ja parandamiseks, samuti kõrgendatud pingete isolatsiooni valmistamise raskused.
Toroidaalne
Toroidaalsete südamike korral on magnetvoog täielikult südamiku sees suletud ja magnetvoo hajumist praktiliselt ei esine. Aga neid trafosid on raske kerida, seega kasutatakse neid harva, nt. madala võimsusega reguleeritud autotransformaatorites või kõrgsageduslikes seadmetes, kus häirekindlus on oluline.
Autotransformaator
Mõnel juhul on soovitatav kasutada trafosid, mille mähiste vahel pole mitte ainult magnetilist, vaid ka elektrilist ühendust. See tähendab, et astmelises seadmes on primaarmähis osa sekundaarmähist ja astmelises seadmes on sekundaarmähis osa primaarmähist. Sellist seadet nimetatakse autotransformaatoriks (AT).
Astmeline autotransformaator ei ole lihtne pingejagur – energia ülekandmisel sekundaarahelasse osaleb ka magnetühendus.
Autotransformaatorite eelised on järgmised:
- väiksemad kaod;
- võime pinget sujuvalt reguleerida;
- väiksem kaal ja mõõtmed (autotransformaator on odavam, seda on lihtsam transportida);
- madalamad kulud tänu väiksemale vajalikule materjalihulgale.
Puuduseks on vajadus mõlema mähise isolatsiooni järele, mis on mõeldud kõrgema pinge jaoks, samuti sisendi ja väljundi vahelise galvaanilise isolatsiooni puudumine, mis võib atmosfäärinähtuste mõju primaarahelast sekundaarahelasse üle kanda. Samal ajal ei saa sekundaarahela elemente maandada. Samuti peetakse AT-de puuduseks suurenenud lühisvoolusid. Kolmefaasiliste autotransformaatorite puhul ühendatakse mähised tavaliselt maandatud nulliga tähtkujuliselt, võimalikud on ka muud ühendusskeemid, kuid liiga keerulised ja tülikad. See on ka puudus, mis piirab autotransformaatorite kasutamist.
Trafo rakendused
Trafode omadust suurendada või vähendada pinget kasutatakse laialdaselt tööstuses ja kodudes.
Pinge muundumine
Erinevatel etappidel on tööstusliku pinge tasemele erinevad nõuded. Erinevatel põhjustel ei ole elektrienergia tootmisel tasuv kasutada kõrgepingegeneraatoreid. Seetõttu kasutatakse hüdroelektrijaamades näiteks 6...35 kV generaatoreid. Vastupidi, energia transportimiseks on vaja kõrgemaid pingeid - 110 kV kuni 1150 kV, olenevalt kaugusest. Seejärel alandatakse see pinge uuesti 6...10 kV-ni, jaotatakse kohalikesse alajaamadesse, kust see alandatakse 380(220) voldini ja jõuab lõpptarbijani. Kodu- ja tööstusseadmete puhul tuleb see ikka alla lasta, tavaliselt 3...36 volti.
Kõik need toimingud tehakse seadmega jõutrafod. Need võivad olla kuiv- või õliversioonid. Teisel juhul asetatakse mähistega südamik õliga paaki, mis on isolatsiooni- ja jahutuskeskkond.
Galvaaniline isolatsioon
Galvaaniline isolatsioon suurendab elektriseadmete ohutust. Kui seadet ei toita otse 220 voltist, kus üks juhtmetest on maandatud, vaid läbi 220/220 voldise trafo, jääb toitepinge samaks. Kui aga maandus ja sekundaarvoolu kandvad osad puutuvad kokku samal ajal, ei teki vooluahelat ja elektrilöögi oht on palju väiksem.
Pinge mõõtmine
Kõigis elektripaigaldistes tuleb jälgida pingetaset. Kui kasutatakse pingeklassi kuni 1000 volti, ühendatakse voltmeetrid otse pingestatud osadega. Üle 1000 volti paigaldiste puhul see nii ei ole – seadmed, mis seda pinget taluvad, on liiga mahukad ja isolatsiooni rikke korral ohtlikud. Seetõttu ühendatakse voltmeetrid sellistes süsteemides mugava teisendussuhtega trafode kaudu kõrgepingejuhtidega. Näiteks 10 kV võrkude jaoks kasutatakse 1:100 mõõtetrafosid, väljundiks on standardpinge 100 volti. Kui primaarpinge amplituud muutub, muutub see samal ajal ka sekundaarpinges. Voltmeetri skaala on tavaliselt gradueeritud primaarpinge vahemikus.
Trafo on üsna keeruline ja kallis komponent, mida valmistada ja hooldada. Need seadmed on aga paljudes valdkondades asendamatud ja alternatiivi pole.
Seotud artiklid:
