Transformator je elektromagnetna naprava, ki se uporablja za pretvorbo izmeničnega toka ene napetosti in frekvence v izmenični tok druge (ali enake) napetosti in enake frekvence.
Vsebina
Zasnova in delovanje transformatorja
V najpreprostejši obliki transformator ima primarno navitje s številom navitij W1 in sekundarni z W2. Energija se dovaja v primarno navitje, obremenitev je povezana s sekundarnim navitjem. Energija se prenaša z elektromagnetno indukcijo. Za izboljšanje elektromagnetnega sklopa so navitja v večini primerov nameščena na zaprto jedro (magnetno jedro).
Če je izmenična napetost U1nato pa izmenični tok I1ki ustvari v jedru magnetni pretok F enake oblike. Ta magnetni tok inducira EMF v sekundarnem navitju. Če je breme priključeno na sekundarni tokokrog, sekundarni tok I2.
Napetost v sekundarnem navitju je določena z razmerjem ovojev W1 in W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, kjer je k transformacijsko razmerje.
Če je k<1, potem U2>U1, tak transformator pa imenujemo stopenjski transformator. Če k>1, potem U2<>1, to transformator se imenuje padajoči transformator. Ker je izhodna moč transformatorja enaka vhodni moči (minus izgube v samem transformatorju), lahko rečemo, da je Rf=Rin, U1*JAZ1=U2*JAZ2 in jaz2=jaz1*k=jaz1*(W1/W2). Tako sta v transformatorju brez izgub vhodna in izhodna napetost neposredno sorazmerni z razmerjem obratov navitja. In tokovi so obratno sorazmerni s tem razmerjem.
Transformator ima lahko več kot eno sekundarno navitje z različnimi razmerji. Na primer, 220-voltni transformator za napajanje gospodinjskih žarnic ima lahko eno sekundarno navitje, npr. 500 voltov za napajanje anodnih tokokrogov in 6 voltov za napajanje tokokrogov z žarilno nitko. V prvem primeru k<1, v drugem primeru k>1.
Transformator deluje samo z izmenično napetostjo - za pojav EMF v sekundarnem navitju se mora spremeniti magnetni tok.
Vrste jeder za transformatorje
V praksi se uporabljajo jedra ne samo določene oblike. Odvisno od namena naprave so lahko magnetna jedra izdelana na različne načine.
Jedrna jedra
Jedra nizkofrekvenčnih transformatorjev so izdelana iz jekla z izrazitimi magnetnimi lastnostmi. Za zmanjšanje vrtinčnih tokov je niz jeder sestavljen iz posameznih plošč, ki so med seboj električno izolirane. Za delovanje pri visokih frekvencah se uporabljajo drugi materiali, na primer feriti.
Zgoraj obravnavano jedro se imenuje paličasto jedro in je sestavljeno iz dveh palic. Za enofazne transformatorje se uporabljajo tudi trižilna jedra. Imajo manjši razpršeni magnetni tok in večjo učinkovitost. V tem primeru sta primarna in sekundarna navitja nameščena na osrednjem jedru.
Trifazni transformatorji so izdelani tudi na trifaznih jedrih. Primarno in sekundarno navitje vsake faze sta vsak na svojem jedru. V nekaterih primerih se uporabljajo petjedrna jedra.Navitja so razporejena popolnoma enako, primarni in sekundarni vsak na svojem jedru, dve skrajni palici na vsaki strani pa se uporabljata samo za kratek stik magnetnih tokov v določenih načinih.
Oklepno
Enofazni transformatorji so izdelani v oklepnem jedru - obe tuljavi sta nameščeni na osrednjem jedru magnetnega jedra. Magnetni tok v takem jedru je kratkostični podobno kot pri trižilni izvedbi - skozi stranske stene. Razpršilni tok je v tem primeru zelo majhen.
Prednosti te zasnove vključujejo nekaj povečanja velikosti in teže zaradi možnosti gostejšega polnjenja jedrnega okna z navitjem, zato je za izdelavo transformatorjev majhne moči koristno uporabiti oklepna jedra. Posledica tega je tudi krajši magnetni krog, kar vodi do nižjih izgub v prostem teku.
Slabosti so težji dostop do navitij za pregled in popravilo ter povečane težave pri izdelavi izolacije za visoke napetosti.
Toroidno
Pri toroidnih jedrih je magnetni tok popolnoma zaprt v jedru in disipacije magnetnega toka praktično ni. Toda te transformatorje je težko naviti, zato se redko uporabljajo, npr. v reguliranih avtotransformatorjih majhne moči ali v visokofrekvenčnih napravah, kjer je pomembna odpornost na motnje.
Avtotransformator
V nekaterih primerih je priporočljivo uporabiti transformatorje, v katerih ni samo magnetna povezava med navitji, ampak tudi električna. To pomeni, da je v napravi za dviganje primarno navitje del sekundarnega navitja, pri napravi za znižanje pa je sekundarno navitje del primarnega navitja. Takšna naprava se imenuje avtotransformator (AT).
Stopenjski avtotransformator ni preprost delilnik napetosti - pri prenosu energije v sekundarni tokokrog sodeluje tudi magnetna sklopka.
Prednosti avtotransformatorjev so:
- manjše izgube;
- sposobnost gladkega uravnavanja napetosti;
- manjša teža in dimenzije (avtotransformator je cenejši, ga je lažje prevažati);
- nižji stroški zaradi manjše potrebne količine materiala.
Pomanjkljivosti vključujejo potrebo po izolaciji obeh navitij, zasnovanih za višjo napetost, pa tudi pomanjkanje galvanske izolacije med vhodom in izhodom, kar lahko prenese učinke atmosferskih pojavov iz primarnega kroga v sekundarni krog. Hkrati elementov sekundarnega tokokroga ni mogoče ozemljiti. Tudi povečani tokovi kratkega stika veljajo za pomanjkljivost AT. Pri trifaznih avtotransformatorjih so navitja običajno povezana v zvezdo z ozemljeno nevtralnostjo, možne so tudi druge sheme povezovanja, vendar preveč zapletene in okorne. To je tudi pomanjkljivost, ki omejuje uporabo avtotransformatorjev.
Aplikacije transformatorjev
Lastnost transformatorjev za povečanje ali zmanjšanje napetosti se pogosto uporablja v industriji in doma.
Transformacija napetosti
Za raven industrijske napetosti na različnih stopnjah obstajajo različne zahteve. Iz različnih razlogov se uporaba visokonapetostnih generatorjev pri pridobivanju električne energije ne splača. Zato se na primer v hidroelektrarnah uporabljajo generatorji 6...35 kV. Nasprotno, za prenos električne energije so potrebne višje napetosti - od 110 kV do 1150 kV, odvisno od razdalje. Ta napetost se nato ponovno zniža na 6...10 kV, razdeli na lokalne razdelilne postaje, od koder se zniža na 380(220) voltov in pride do končnega porabnika. Za gospodinjske in industrijske aparate je treba še vedno znižati, običajno na 3 ... 36 voltov.
Vse te operacije se izvajajo z močnostni transformatorji. Lahko so v suhi ali oljni izvedbi. V drugem primeru je jedro z navitji nameščeno v rezervoar z oljem, ki je izolacijski in hladilni medij.
Galvanska izolacija
Galvanska ločitev poveča varnost električnih naprav. Če naprave ne napajate neposredno iz 220 voltov, kjer je eden od vodnikov priključen na maso, ampak preko transformatorja 220/220 voltov, ostane napajalna napetost enaka. Če pa se ozemljitev in sekundarni deli, po katerih teče tok, dotaknejo istočasno, ne bo tokokroga za pretok toka in nevarnost električnega udara bo veliko manjša.
Merjenje napetosti
V vseh električnih inštalacijah je treba nadzorovati nivoje napetosti. Če se uporablja napetostni razred do 1000 voltov, se voltmetri priključijo neposredno na dele pod napetostjo. Pri inštalacijah nad 1000 voltov temu ni tako - naprave, ki lahko prenesejo to napetost, so preveč zajetne in nevarne v primeru okvare izolacije. Zato so v takih sistemih voltmetri povezani z visokonapetostnimi vodniki prek transformatorjev s primernim razmerjem transformacije. Na primer, za omrežja 10 kV se uporabljajo merilni transformatorji 1:100, izhod je standardna napetost 100 voltov. Če se primarna napetost spremeni v amplitudi, se istočasno spremeni tudi v sekundarni. Skala voltmetra je običajno graduirana v območju primarne napetosti.
Transformator je precej zapletena in draga komponenta za izdelavo in vzdrževanje. Vendar so te naprave nepogrešljive na mnogih področjih in ni druge alternative.
Povezani članki:
