Transzformátor

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Transzformátor
Utcai transzformátor Melbourne-ben (Ausztrália)

A transzformátor egy villamos gép, nyugvó szerkezet, amely a váltakozóáramú villamos teljesítménynek feszültségét és áramerősségét alakítja át.

Tulajdonsága[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A transzformátor vasmagján legalább két tekercsrendszer van, ezek egymástól vezetőileg többnyire el vannak különítve, szigetelve. Az elektromágneses energiát az egyik rendszer veszi át valamely hálózatból: ez a transzformátor primer tekercsrendszere. A másik rendszer továbbítja az energiát egy másik hálózat felé: ez a szekunder tekercsrendszer. Az energia felvétele és továbbítása nem szerkezeti tulajdonság, hanem üzemviteli állapot, akármelyik tekercs működhet primer vagy szekunder rendszerként. Ennek megfelelően a transzformátor több hálózat energiacseréjét is elláthatja.

Szétszedhető transzformátor 1.
Szétszedhető transzformátor 2.
Szétszedhető transzformátor 3.
Szétszedhető transzformátor 4.
Szétszedhető transzformátor 5.

Elvi felépítése és működése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Egyfázisú transzformátor felépítése

Legegyszerűbb esetben két tekercs (primer és szekunder) helyezkedik el a közös, többnyire zárt vasmagon. Az ábrán + illetve - jelű polaritás egy meghatározott időpillanatban értendő! A primer tekercs huzaljában folyó áram a jobbkézszabállyal meghatározható irányú mágneses erővonalakat hoz létre, ezek a mágneses erővonalak a tekercs belsejében összegződve hozzák létre az ábrán jelölt mágneses fluxust. Mivel ez a mágneses fluxus pillanatról pillanatra változó, a szekunder tekercsben feszültséget indukál. Ha a szekunder kapcsok egy terheléssel zárt áramkört képeznek, a körben áram folyik. Működése során a transzformátor primer oldalán a váltakozó áram a nyitott vagy zárt vasmagban változó mágneses fluxust kelt, ami a szekunder áramkörben feszültséget indukál. A szekunder oldalra villamos terhelést kapcsolva megindul a szekunder áram, és ezzel valósul meg az energiaátvitel. A működés alapfeltétele a primer oldali váltakozóáramú táplálás, mivel csak a változó mágneses fluxus képes a szekunder oldalon feszültséget kelteni.

A működési alapelvekből adódik az is, hogy a két áramkörben a frekvencia azonos, míg a primer és szekunder oldali feszültségek aránya jó közelítéssel a megfelelő oldali tekercsek menetszámainak arányával egyezik meg. A transzformátorban állandósult állapotban az átmenő energia nem halmozódhat, tehát a bemenő és a továbbmenő teljesítmény különbsége a transzformátor veszteségeivel egyenlő. Mivel a transzformátorok jó hatásfokkal működnek, a két teljesítmény gyakorlatilag ugyanakkora. Ebből adódik, hogy a primer és szekunder oldali áramok aránya durva közelítéssel megegyezik a menetszámáttétel reciprokával.

A transzformátort leggyakrabban a nagy teljesítményű (erőátviteli) villamos hálózatokban használják a feszültségszint, és ezzel az áramszint megváltoztatására. Ennek jelentősége abban áll, hogy azonos teljesítményt magasabb feszültségű átviteléhez kisebb áramra van szükség, így az átviteli hálózat ohmos veszteségei, valamint a vezetékek keresztmetszetei jelentősen csökkenthetők, és így lehetővé válik a villamos energia nagy távolságokra történő gazdaságos továbbítása.

Kidolgozása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az első transzformátorok (Déri-Bláthy-Zipernowsky, Budapest, 1885)

Michael Faraday 1831-ben határozta meg az elektromágneses indukció törvényeit.

Az első energiaátvitelre alkalmas, zárt vasmagú transzformátort Déri Miksa, Bláthy Ottó Titusz és Zipernowsky Károly szabadalmaztatta, 1885-ben. Ezek a transzformátorok a Ganz gyárban készültek Budapesten.

Közülük a képen látható két példány (egy magtranszformátor és egy köpenytranszformátor) 2010-ben Nagycenken, a Széchenyi István Emlékmúzeum egyik kiállításán volt. (Mindkét darab a Magyar Műszaki és Közlekedési Múzeum egyik szakmúzeumának, az Elektrotechnikai Múzeumnak a tulajdona.)

A transzformátor alapegyenletei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kölcsönös indukció elvén alapul. Ideális esetben a primer és a szekunder tekercsek között a csatolás tökéletes, azaz mindkét tekercs ugyanazt a mágneses fluxust (Φ) veszi körül. Ekkor a Faraday-féle indukciós törvény alapján (Maxwell II. egyenlete) az N_{2} menetű szekunder tekercsben indukált feszültség: Egyetlen menet indukált effektív feszültsége:


e = 4k_f f \Phi_{\mathrm{max}} \,
,

míg N sorba kapcsolt menet indukált feszültsége:


U_e = 4k_f f N \Phi_{\mathrm{max}} \,
.[1]

Másképpen:


U_{2} = N_{2} \frac{d\Phi}{dt}

A primer tekercs is ugyanezt a fluxust veszi körül, azaz


U_{1} = N_{1} \frac{d\Phi}{dt}

Az első egyenletből az N2, a másodikból az N1 tagot baloldalra rendezve a két jobboldal megegyezik, akkor a két baloldal is megegyezik, a két feszültség hányadosa mindenkor a két menetszám hányadosával egyezik meg, azaz


\frac{U_{2}}{N_{2}} = \frac{U_{1}}{N_{1}}

Az ideális transzformátor áramáttételét Maxwell I. egyenlete alapján határozhatjuk meg. Ez kimondja, hogy bármely zárt térbeli hurokra a mágneses térerősség vonalmenti integrálja megegyezik a zárt hurok által meghatározott felületen átfolyó áramok összegével. (Feltételezve, hogy az úgynevezett eltolási áramok elhanyagolhatóak.) Ideális csatoláshoz közel végtelen permeabilitású vasra van szükség, így feltételezhetjük, hogy a mágneses térerősség a vason belül közel zérus. Ezzel egy tetszőleges, mindenhol a vasban futó zárt hurokra felírt egyenlet a következő alakra egyszerűsödik:

N1 * I1 +N 2 * I2 = 0

Ebből pedig:


\frac{I_{1}}{I_{2}}=-\frac{N_{2}}{N_{1}}
Ez a transzformátor áttételi egyenlete.

A primer és szekunder oldali teljesítmények megegyeznek, de ellentétes előjelűek. Az ideális transzformátor tehát veszteségmentes átalakító.
Nem ideális esetben:

N1 * I1 +N 2 * I2 = N1 * I1,0 [2] Ez a transzformátor gerjesztési egyenlete.

A transzformátor működése a gyakorlatban[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Toroid transzformátor

A gyakorlatban a tökéletes csatolás nem valósítható meg, mindig van valamennyi úgynevezett szórt fluxus, ami vagy csak a primer, vagy csak a szekunder tekerccsel kapcsolódik (feltételezve, hogy a vas nem kerül telítésbe, és minden erővonal a vason keresztül záródik). Emiatt a primer és szekunder feszültségek aránya még terheletlen transzformátor esetén is kismértékben eltér a menetszámok arányától.

A primer tekercsre feszültséget kapcsolva a primer tekercsben áram folyik. Ennek nagysága függ a primer tekercs ohmos ellenállásától, az induktív reaktanciájától, valamint a vas átmágnesezéséhez szükséges teljesítménytől. (Üresjárat, ahol I2 = 0). Amennyiben a szekunder oldalt terheljük, a szekunder tekercsben megindul a szekunder áram. Ez az áram a tekercs ohmos ellenállásán és induktív reaktanciáján feszültségesést hoz létre, ami csökkenti a szekunder kapcsokon lévő feszültséget. (Üzemi állapot, ahol 0 < I2 < ∞.)

A gyakorlatban tehát üzemszerű állapotban a szekunder feszültség kisebb, mint az ideális, a primer és szekunder feszültségek aránya a menetszámáttételtől akár 6-50%-kal is eltérhet. Nagyobb transzformátoroknál az eltérés kisebb.

Az ellenállások és a szórt fluxust reprezentáló úgynevezett szórási reaktanciák határozzák meg a transzformátor rövidrezárási áramát (rövidrezárt szekunder oldal). A tervezés során ezért mindig ügyelnek arra, hogy legyen valamennyi szórt fluxus a rövidzárási áram csökkentése érdekében.

A veszteségek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A transzformátorok közönséges üzemében állandó értéken tartják a frekvenciát és a tápláló feszültséget. Ebből következően a vasmag maximális fluxusa és indukciója közel állandó. A valóságos transzformátoroknak mindig van vesztesége.

A veszteségek okai, és nagysága[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Vasveszteség /üresjárási veszteség/ – A vasmagban kialakuló örvényáramok és a hiszterézis veszteség miatt. Nagysága közel arányos a maximális indukciónak (az indukált feszültség közepes értékének is!) a négyzetével. Szinuszos változás esetén az indukált feszültség effektív értékének négyzetével is fennáll ez az arányosság.
  • Rézveszteség /rövidrezárási veszteség/ – A tekercsek ohmos ellenállása miatt. Nagysága az effektív áramerősség négyzetével arányos.
  • Dielektromos veszteség Elsősorban olajtranszformátoroknál lehet a mértéke jelentős. Nem mindegy, hogy a tartályban, vagy azon kívül mérik, mert a tartálynak is van vasvesztesége.

Valóságos transzformátorok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • A megvalósított transzformátorok több primer/szekunder tekercsből állhatnak; így többféle feszültség is kivezethető belőlük; illetve többféle feszültségű betáplálásuk lehetséges.
  • A lemezelt vasmagú transzformátoroknál a vasmag a betáplált feszültség frekvenciáján rezeg. A zaj csökkentésére szokásos a lemezek összeforrasztása, ragasztása, illetve kiöntése.

Szekunder rövidrezárása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A transzformátor szekunderének rövidrezárásakor a primer oldalon felvett teljesítmény igen jó közelítéssel a primer és a szekunder tekercsveszteség összegével egyenlő. Rövidrezáráskor a szekunder feszültség elenyészően kicsi, ugyanígy elhanyagolható a transzformátor indukált feszültsége is, tehát négyzetesen kicsi a vasveszteség az üzemihez képest.

Speciális transzformátorok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Ívhegesztő berendezések szabályozható légrésű transzformátorai.
  • A nagyfrekvenciás transzformátorok vasmagja porkohászati úton előállított ferritmag.
  • A nagyfrekvenciás csatolótekercsek speciális transzformátornak tekinthetőek, ferrit maggal, és litze huzalból készült tekercseléssel.

Szabályzó transzformátorok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Általában toroid magra tekercselt transzformátor, amelynek áttétele (primer menetszám/szekunder menetszám) egy csúszóérintkezővel a szekunder tekercs menetszámának változtatásával folyamatosan változtatható.

Magyar találmány a "lineáris szabályzótranszformátor" amikor a szabályzást hosszú egyenes tekercselésen csúszó érintkezővel oldják meg. Előnye, hogy olcsóbban gyártható.

Takarék transzformátor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Csak egy tekercselése van, az áttételt a tekercselés leágazásával oldják meg. Előnye, hogy valamivel egyszerűbb. Hátránya, hogy nem végez galvanikus elválasztást (fokozott érintésvédelmi figyelmet igényel).

A transzformátorral nem lehet[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Háromfázisú transzformátorok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A villamos energia előállítása és továbbítása háromfázisú rendszerben történik. Ennek előnye, hogy ugyanakkora teljesítmény esetén a vezetékek kisebb áramerősséget szállítanak.

A háromfázisú hálózat transzformálására háromfázisú transzformátorok szolgálnak, ezek három darab egy fázisú láncszem transzformátor összeillesztéséből származik. Mivel szimmetrikus háromfázisú hálózatban minden pillanatban a fázisáramok összege nulla, a három transzformátorban a fluxusok összege is nulla, így elegendő háromoszlopos transzformátort készíteni.

Háromfázisú transzformátorok kapcsolása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A három fázis tekercseit csillag, háromszög (delta), vagy zeg-zug kapcsolásba köthetjük. Vezetékezését tekintve három vagy négyvezetékes hálózat. A négyvezetékes hálózatokat távvezetékeknél nem szükséges használni, kisfeszültségű hálózatoknál viszont a csillagpont kivezetése okvetlenül szükséges, mivel a fogyasztók döntő többsége a 400/230 V-os hálózatoknál 230 V-ról üzemel.

Forgómezős transzformátor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A forgómezős transzformátor egy speciális kialakított csúszógyűrűs aszinkron gép.


Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. ahol kf = a görbe formatényezője, f a frekvencia, Φmax = Bmax*A, a fluxus maximuma egy periódus alatt, A a mágnesezett vaskeresztmetszet, B a vaskeresztmetszet átlagos indukciója
  2. ahol I1,0 a transzformátor üresjárási árama, mely a mágnwesezési-, és a vasveszteségi áramból tevődik össze

Forrás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Karsai Béla: Villamos mérőműszerek és mérések (Műszaki Könyvkiadó. 1962)
  • [1]
  • dia
  • [2]
  • [3]

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Transzformátor témájú médiaállományokat.
  • További fotók transzformátorokról a FizKapu honlap FizFotó rovatában, a Mágnesesség témakörben.
  • Az Elektrotechnikai Múzeum honlapja.
  • További fotók a nagycenki Széchenyi István Emlékmúzeum kiállításán látható műszaki emlékekről a FizKapu honlap FizTan rovatában, a Letölthető menüpontban.