Električni transformator: definicija, delovanje in vrste

Transformator je naprava, ki prenaša električno energijo iz enega električnega tokokroga v drugega z vzajemno (elektromagnetno indukcijo) in brez spremembe frekvence. Transformatorji so pomemben del električnih sistemov.

Transformatorji so izdelani v različnih velikostih, od zelo majhnega povezovalnega transformatorja v mikrofonu do velikih enot, ki prenašajo več sto MVA in se uporabljajo v električnih omrežjih.

Glavni razlog za uporabo transformatorja je pretvorba moči ene ravni napetosti v moč druge ravni napetosti. Visoko napetost je lažje pošiljati na velike razdalje, manjšo napetost pa je lažje in varneje uporabljati v pisarni ali doma. Transformatorji se uporabljajo za povečanje ali zmanjšanje napetosti izmeničnega toka (AC) v tokokrogih. Transformator je običajno zgrajen z dvema tuljavama okoli istega jedra. Primarna ali vhodna tuljava je priključena na napajalno stran, medtem ko sekundarna tuljava napaja breme. Druga tuljava se imenuje izhodna tuljava. Energija se prenaša s primarne na sekundarno tuljavo s pomočjo elektromagnetizma. V elektroenergetskih omrežjih se uporablja veliko transformatorjev. To so omrežja za dobavo električne energije od generatorja in do uporabnika.

Transformatorji v vaši soseski, na električnih drogovih ali priključeni na podzemne žice, običajno pretvarjajo visoko napetost 7200 voltov v 220-240 voltov električne energije za napajanje luči in naprav, kot so hladilniki, v domovih in podjetjih. V nekaterih državah, na primer v Ameriki, se v domovih uporabljajo drugačne napetosti, na primer 120 voltov. Transformatorji ne morejo povečati moči, zato se ob povečanju napetosti sorazmerno zmanjša tok. Če se napetost zniža, se tok sorazmerno poveča.

Transformatorji v elektronski opremi zagotavljajo električno energijo, ki jo potrebujejo različni deli.

Obstaja več osnovnih vrst transformatorjev:

Kako deluje transformator

Delovanje transformatorja temelji na Faradayevi zakonitosti elektromagnetne indukcije. Ko skozi primarno tuljavo teče izmenični tok, se v feromagnetnem jedru ustvari spreminjajoče se magnetno polje. To polje inducira napetost v sekundarni tuljavi. Razmerje med napetostma je določeno z razmerjem števila zavojev v tuljavah (razmerje zavojev):

Vp/Vs = Np/Ns

kjer so Vp in Vs napetosti primarne oziroma sekundarne tuljave, Np in Ns pa število zavojov. V idealnem transformatorju (brez izgub) velja tudi, da je vhodna moč približno enaka izhodni moči, zato velja:

Vp · Ip ≈ Vs · Is

To pomeni, da ob povečanju napetosti tok v sekundarni tuljavi upade in ob znižanju napetosti tok naraste, pri čemer je produkt napetosti in toka (moč) ohranjen z upoštevanjem izgub.

Glavne izgube in učinkovitost

• Jedrne izgube: Histereza in vrtinčni (eddy) tokovi v magnetnem jedru povzročajo segrevanje; jedro je zato sestavljeno iz tankih lamel (plošč) iz silikonskega jekla z izolacijo, da zmanjšajo vrtinčne tokove.
• Bakerne (Cu) izgube: Odpor tuljav povzroča izgube pri pretoku toka, ki se kažejo kot toplota v navitjih.
• Izgube zaradi razpršenega polja: Stray losses zaradi magnetnega polja v strukturi in pritrdilnih delih.
• Mehanske izgube: Magnetostrikcija jedra povzroča brnenje in lahko tudi dodatne izgube.

Učinkovitost transformatorjev je običajno zelo visoka (za velike močnejše transformatorje pogosto 95–99 %), vendar je odvisna od obremenitve, kakovosti jedra in izvedbe navitij.

Vrste transformatorjev

• Enofazni in trifazni transformatorji: Enofazni za manjše obremenitve in elektroniko, trifazni za prenos in distribucijo električne energije v omrežjih.
• Stopenjski (step-up) in znižajoči (step-down): Step-up povečajo napetost (uporabno pri prenosu na velike razdalje), step-down znižajo napetost (za distribucijo uporabnikom).
• Autotransformator: Ima eno tuljavo z delnim tapsanjem in je kompaktnejši ter cenejši pri manjših razlikah napetosti; nima popolne galvanicne ločitve med vhodom in izhodom.
• Izolacijski transformator: Zagotavlja galvanno ločitev med vhodom in izhodom zaradi popolnoma ločenih tuljav; uporaben za varnost in zmanjšanje motenj.
• Instrumentni transformatorji: Tokovni (CT) in napetostni (VT oziroma PT) transformatorji za merjenje in zaščito v elektroenergetskih sistemih.
• Distribucijski transformatorji: Namenjeni lokalni razdelitvi energije (npr. trafostanice v naseljih).
• Transformatorji za elektroniko (napajalniki): Mali transformatorji v adapterjih in napajalnikih, vključno s feritnimi jedri pri visokofrekvenčnih napajalnikih (v SMPS se pogosto uporabljajo visokofrekvenčni transformatorji).
• Suhi (air-cooled) in oljni transformatorji: Suhi transformatorji so v zaščitnih ovojnicah brez tekočin; oljni transformatorji so polnjeni z izolacijskim oljem, ki pomaga pri hlajenju in izolaciji.

Hlajenje in zaščita

Transformatorji se hladijo na različne načine, od preprostega naravnega hlajenja zraka do kompleksnih sistemov z oljem in ventilatorji. Nekateri pogosti načini so:

• Naravno zračno hlajenje (Dry-type)
• Oljno hlajenje z naravnim pretokom (ONAN) ali prisilnim hlajenjem s pomočjo ventilatorjev in izmenjevalcev (ONAF, OFAF)

Za zaščito transformatorjev se uporabljajo varovalke, prenapetostne zaščite, reléji za zaznavanje preobremenitev in kratkih stikov, sistem za zaznavanje tlaka v olju ter termični senzorji. Za velike transformatorje so navadno predvideni tudi sistemi za spremljanje stanja olja (analiza raztopljenih plinov) in termografija.

Varnost in vzdrževanje

Redno vzdrževanje vključuje pregled stanja izolacije, merjenje upora navitij, preverjanje kakovosti izolacijskega olja, tesnosti in stanja hladilnih elementov ter preverjanje pritrditev in ozemljitve. Pri delu na transformatorjih je pomembno spoštovati varnostne predpise, saj so vključene visoke napetosti in potencialno nevarne temperature ter vrhunske električne energije.

Uporaba in pomen

Transformatorji so ključni za učinkovito omrežje, saj omogočajo prenos velikih moči na visokih napetostih z manjšimi izgubami in nato varno znižanje napetosti za končne uporabnike. Uporabljajo se v elektroenergetiki, industriji, telekomunikacijah, medicinski opremi, avdioelektroniki in skoraj vsaki električni napravi, ki zahteva prilagojeno napetost ali izolacijo.

Opomba: Pri izbiri transformatorja so pomembni faktorji kot so nazivna moč, tip (suhi/oljen), višina napetosti, zahteve hlajenja, raven izolacije in zahteve za zaščito in vzdrževanje.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je transformator?

V: Kaj je glavni razlog za uporabo transformatorja?

V: Kako transformatorji prenašajo energijo?

V: Kje se transformatorji uporabljajo v elektroenergetskih omrežjih?

V: Kako transformator prilagodi raven napetosti za domove in podjetja?

V: Ali lahko transformatorji povečajo moč?

V: Katere so osnovne vrste transformatorjev?

Išči po črki