A transzformátor olyan elektromágneses eszköz, amelyet arra használnak, hogy egy adott feszültségű és frekvenciájú váltakozó áramot egy másik (vagy azonos) feszültségű és azonos frekvenciájú váltakozó árammá alakítson.
Tartalomjegyzék
Egy transzformátor felépítése és működése
A legegyszerűbb esetben Transzformátor tartalmaz egy primer tekercset, amelynek tekercsszáma W1 és egy másodlagos W2. Az energia a primer tekercshez, a terhelés a szekunder tekercshez van csatlakoztatva. Az energiaátvitel elektromágneses indukcióval történik. Az elektromágneses csatolás fokozása érdekében a tekercseket általában zárt magra (mágneses mag) szerelik.
Ha a váltakozó feszültség U1a primer tekercsre, a váltakozó áram I1amely a magban ugyanolyan alakú F mágneses fluxust indukál. Ez a mágneses fluxus EMF-et indukál a szekunder tekercsben. Ha a szekunder áramkörre egy terhelés van csatlakoztatva, akkor a szekunder áram I2.
A szekunder tekercsben lévő feszültséget a W1 és W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, ahol k transzformációs arány.
Ha k<1, akkor U2>U1, és az ilyen transzformátort fokozattranszformátornak nevezik. Ha k>1 , akkor U2
Egy transzformátornak több szekunder tekercselése is lehet, különböző transzformátorarányokkal. Például a háztartási izzók ellátására szolgáló 220 voltos transzformátornak lehet egy szekunder tekercselése, pl. 500 voltos az anódáramkörök ellátására és 6 voltos az izzóáramkörök ellátására. Az első esetben k<1, a második esetben k>1.
A transzformátor csak váltakozó feszültséggel működik - a mágneses fluxusnak változnia kell ahhoz, hogy a szekunder tekercsben EMF keletkezzen.
Magtípusok transzformátorokhoz
A gyakorlatban nem csak a megadott alakú magokat használják. Az eszköz rendeltetésétől függően a mágneses magok különböző módon készülhetnek.
Magok
A kisfrekvenciás transzformátorok magjai acélból készülnek, amely kifejezett mágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Az örvényáramok csökkentése érdekében a magtartomány egymástól elektromosan szigetelt lemezekből áll. Magas frekvenciák esetén más anyagokat, például ferritet használnak.
A fent tárgyalt magot magtömbnek nevezzük, és két rúdból áll. Egyfázisú transzformátoroknál hárommagvas magokat is használnak. Alacsonyabb mágneses szórt áramlással és nagyobb hatásfokkal rendelkeznek. Ebben az esetben mind az elsődleges, mind a másodlagos tekercselés a központi magra kerül.
A háromfázisú transzformátorok szintén háromfázisú magokon készülnek. Az egyes fázisok primer és szekunder tekercselései külön magon vannak. Egyes esetekben ötmagos magokat használnak. Ugyanolyan elrendezésűek, a primer és a szekunder magok a mag mindkét oldalán helyezkednek el, a két szélső magot mindkét oldalon arra használják, hogy bizonyos műveleteknél összekapcsolják a mágneses fluxusokat.
Páncélozott magok
Az egyfázisú transzformátorok páncélozott maggal készülnek - mindkét tekercs a mágneses mag központi magjára kerül. A mágneses fluxus ebben a magban a hárommagos egységhez hasonlóan, azaz az oldalfalakon keresztül kapcsolódik. A szórási fluxus ebben az esetben nagyon kicsi.
Ennek a kialakításnak az az előnye, hogy némi méret- és súlynövekedést eredményez, mivel a magablakot sűrűbben lehet tekercsekkel kitölteni, ezért a kis teljesítményű transzformátoroknál előnyös a páncélozott magok használata. Ennek következménye a rövidebb mágneses kör is, ami alacsonyabb üresjárati veszteségeket eredményez.
Hátránya, hogy a tekercsekhez nehezebb hozzáférni az ellenőrzés és a javítás céljából, és a nagyfeszültségű szigetelést bonyolultabb elkészíteni.
Toroidális
A toroidmagok esetében a mágneses fluxus teljesen a magba van zárva, és gyakorlatilag nincs mágneses fluxusszivárgás. Ezeket a transzformátorokat azonban nehéz tekerni, ezért csak ritkán alkalmazzák őket, például kis teljesítményű szabályozott autotranszformátorokban vagy nagyfrekvenciás alkalmazásokban, ahol fontos a zavarmentesség.
Autotranszformátor
Bizonyos esetekben célszerű olyan transzformátorokat használni, amelyekben a tekercsek nem csak mágnesesen, hanem elektromosan is össze vannak kötve. Vagyis egy felfelé lépcsős készülékben a primer tekercs a szekunder tekercs része, egy lefelé lépcsős készülékben pedig a szekunder tekercs a primer tekercs része. Az ilyen készüléket autotranszformátornak (AT) nevezik.
A lefokozó autotranszformátor nem egyszerű feszültségosztó - a szekunder áramkörbe történő energiaátvitelben mágneses csatolás is szerepet játszik.
Az autotranszformátorok előnyei:
- alacsonyabb veszteségek;
- a fokozatmentes feszültségszabályozás lehetősége;
- kisebb méretek (az autotranszformátorok olcsóbbak, könnyebben szállíthatóak);
- Alacsonyabb költségek az alacsonyabb anyagszükséglet miatt.
Hátrányai közé tartozik, hogy mindkét tekercset magasabb feszültségű szigeteléssel kell ellátni, valamint a bemenet és a kimenet közötti galvanikus elválasztás hiánya, amely az időjárás hatásait a primer áramkörről a szekunder áramkörre is átviheti. Ugyanakkor a szekunder áramkör elemeit nem szabad földelni. A megnövekedett rövidzárlati áramok is az AT hátrányának tekinthetők. A háromfázisú autotranszformátoroknál a tekercseket általában csillagkapcsolásban csatlakoztatják, földelt nullpontossal, más kapcsolási rajzok is lehetségesek, de túl bonyolultak és nehézkesek. Ez szintén hátrány, ami korlátozhatja az automatikus transzformátorok használatát.
Transzformátor alkalmazások
A transzformátorok feszültségnövelő vagy -csökkentő tulajdonságát széles körben használják az iparban és a magánháztartásokban.
Feszültség átalakítás
Az ipari feszültségszintnek különböző fázisokban eltérő követelményei vannak. Különböző okokból nem kifizetődő a nagyfeszültségű generátorok használata a villamosenergia-termelésben. Ezért használják például a vízerőművekben a 6...35 kV-os generátorokat. Ezzel szemben a villamos energia szállításához nagyobb feszültségre van szükség - a távolságtól függően 110 kV-tól 1150 kV-ig. Ezt a feszültséget ezután ismét 6...10 kV-ra csökkentik, és elosztják a helyi alállomásokon, ahonnan 380(220) voltra csökkentik, és eljuttatják a végfelhasználókhoz. A háztartási és ipari készülékek esetében ezt is le kell csökkenteni, általában 3...36 voltra.
Mindezeket a lépéseket a ... teljesítménytranszformátorok. Ezek lehetnek száraz vagy olajos típusúak. Ez utóbbiban a mag és a tekercsek egy olajtartályban vannak, amely szigetelő és hűtőközegként működik.
Galvanikus elszigetelés
A galvanikus leválasztás növeli az elektromos készülékek biztonságát. Ha a készüléket nem közvetlenül a 220 voltos hálózatról táplálja, ahol az egyik vezeték a földre van kötve, hanem egy 220/220 voltos transzformátoron keresztül, a tápfeszültség nem változik. Ha azonban a föld és a szekunder áramvezető részek egyszerre érnek össze, akkor nem lesz áramkör az áram áramlásához, és az áramütés veszélye sokkal kisebb lesz.
Feszültségmérés
Minden elektromos berendezésnél ellenőrizni kell a feszültségszintet. 1000 voltig terjedő feszültségosztály használata esetén a feszültségmérőket közvetlenül a feszültség alatt álló részekre kell felszerelni. Az 1000 volt feletti berendezéseknél ez nem lehetséges - a készülékek túl nehézkesek lesznek, és szigetelési hiba esetén nem biztos, hogy biztonságosak. Ezért az ilyen rendszerekben a feszültségmérőket megfelelő átalakítási aránnyal rendelkező transzformátorokon keresztül csatlakoztatják a nagyfeszültségű vezetékekhez. Például 10 kV-os hálózatoknál 1:100 transzformátorokat használnak, és a kimeneti feszültség szabványos 100 volt. Ha a primer feszültség amplitúdója változik, akkor ezzel egyidejűleg a szekunderben is változik. A feszültségmérő skálája általában a primer feszültségtartományban van beosztva.
A transzformátorok gyártása és karbantartása meglehetősen összetett és költséges. Számos alkalmazásban azonban ezek az eszközök nélkülözhetetlenek, és nincs más alternatíva.
Kapcsolódó cikkek:
