Transzformátor

Transzformátor

Utcai transzformátor Melbourne-ben (Ausztrália)

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

Tulajdonsága

A transzformátor vasmagján általában két tekercsrendszer van, ezek egymástól el vannak 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

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 közel azonos. 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 teljesítmény 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

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

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 tekercs egyetlen menetében indukált effektív feszültség:

$e=4k_{f}f\Phi _{\mathrm {max} }\,$,

míg N sorba kapcsolt menet indukált feszültsége:

$U_{e}=4k_{f}fN\Phi _{\mathrm {max} }\,$.

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 bal oldalra rendezve a két jobb oldal megegyezik, akkor a két bal oldal 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 elhanyagolhatók.) 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:

$N_{1}I_{1}+N_{2}I_{2}=0.$

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:

$N_{1}I_{1}+N_{2}I_{2}=N_{1}I_{1,0},$

ahol $I_{1,0}$ a transzformátor üresjárási árama, ami a mágnesezési és a vasveszteségi áramból tevődik össze. Ez a transzformátor gerjesztési egyenlete.

A transzformátor működése a gyakorlatban

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 rövidzárlati áramát (rövidre zárt szekunder oldal). A tervezés során ezért mindig ügyelnek arra, hogy legyen valamennyi szórt fluxus a rövidzárlati áram csökkentése érdekében.

A veszteségek

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 veszteségük.

A veszteségek okai, mértékük

• Vasveszteség v. 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 v. 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

• 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 összehegesztése (ez növeli a vasveszteséget az örvényáramok miatt, ami melegedést okoz), ragasztása, illetve kiöntése.

Szekunder rövidrezárása

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

• 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

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.

Takaréktranszformátor

Más néven „autotranszformátor”. Csak egy tekercse van, az áttételt a tekercselés leágazásával (megcsapolásával) oldják meg. Előnye, hogy kivitelezése egyszerűbb. Hátránya, hogy nem végez galvanikus elválasztást a be- és kimenet között (fokozott érintésvédelmi figyelmet igényel).

A transzformátorral nem lehet

• Változatlan nagyságú egyenfeszültséget átalakítani.
• Változatlan nagyságú egyenfeszültséget váltakozó feszültséggé alakítani (se fordítva).
• A feszültség frekvenciáját módosítani.

Háromfázisú transzformátorok

Háromfázisú transzformátor egy békéscsabai transzformátorállomáson

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

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

A forgómezős transzformátor egy speciális kialakított csúszógyűrűs aszinkron gép.

Források

• Karsai Béla: Villamos mérőműszerek és mérések (Műszaki Könyvkiadó. 1962)
• transzformátor, diploma2007.blogspot.de
• dia
• Transzformatorok.doc, zeus.nyf.hu
• [1]

További információk

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.