Transformator

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Transformator
Transformator
Trafo.jpg

Transformator je statički električni uređaj u kojem se električna energija iz jednog ili više izmjeničnih krugova koji napajaju primarne namote transformatora prenosi u jedan ili više izmjeničnih krugova napajanih iz sekundarnih namota transformatora s izmijenjenim iznosima jakosti struje i napona, te nepromijenjenom frekvencijom.

Namjena transformatora[uredi VE | uredi]

Budući da snaga električne struje zavisi o umnošku U x I, podizanjem napona moguće je prenijeti istu snagu s manjim jakostima struje. Struja manje jakosti omogućuje smanjenje prereza vodiča (t.j. manji utrošak bakra ili aluminija) i uzrokuje manje padove napona na dugačkim vodovima, jer je pad napona proporcionalan jakosti struje kroz vodič. Zbog toga, električna energija isporučena iz elektrana na visokom naponu od 20 kV (kilovolta) transformira se na vrlo visoki napon 200, 400 kV (kilovolta), te visokonaponskim dalekovodima prenosi do mjesta potrošnje. Ondje se energija mora transformirati na napon gradske mreže (380/220 V kod trofaznih, odnosno 220 V kod monofaznih mreža). Trofazni transformator za takvu namjenu prikazan je na gornjoj slici. Vidljivi su visokonaponski porculanski izolatori te rebra za hlađenje i ekspanzijska posuda za transformatorsko ulje u koje su potopljeni namotaji zbog učinkovitijeg hlađenja i izolacijskih svojstava ulja.

Važna je i primjena transformatora za pretvorbu napona gradske mreže u manje opasan napon između 12 i 48 V za razne radioničke, upravljačke ili druge uređaje, (u pravilu s galvanski odvojenim sekundarom od primara), ili u mnogobrojnim elektroničkim uređajima koji rade na istosmjernom naponu od nekoliko volti. U posljednjem slučaju, transformatoru se prigrađuje i prikladan ispravljač za pretvorbu izmjenične struje sekundara u istosmjernu. Druga slika prikazuje takav transformator male snage s ispravljačem integriran sa šuko-utikačem.

Način rada[uredi VE | uredi]

Rad transformatora zasniva se na Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije prema kojem vremenska promjena magnetskog toka ulančanog vodljivom petljom inducira u petlji napon, dok struja uzrokovana tim naponom stvara magnetski tok koji se, u skladu s Lentzovim zakonom, opire promjeni toka koji je inducirao napon.

Trafo2.jpg

Jednostavnije rečeno, izmjenična struja primara koja tokom vremena jakost mijenja po sinusoidi, u željeznoj jezgri transformatora proizvodi isto tako promjenjiv magnetski tok. Umetne li se u tako stvoreno promjenjivo magnetsko polje u okolici jezgre drugi namotaj (sekundar), u njemu će se po pravilima elektromagnetske indukcije pobuditi također sinusoidalni izmjenični napon. Zbog pojave samoindukcije, posljedično induciranoj struji sekundara, opirat će se induktivni otpor namotaja.

Kod idealnog transformatora su odnosi napona u namotima primara i sekundara proporcionalni, a odnosi jakosti struja obrnuto proporcionalni omjeru broja navoja. Ako na primjer sekundarni namotaj ima deset puta više navoja od primarnog namota, napon sekundara bit će deset puta viši, a jakost struje deset puta manja nego u primaru. Matematički se ovaj odnos može iskazati izrazom:


Us / Up = Zs / Zp iz čega slijedi:

Us = Up x Zs / Zp

U svim izrazma, indeks p odnosi se na primar, a s na sekundar.

Transformator može imati i više sekundarnih namota, koji mogu biti galvanski odvojeni a mogu biti realizirani i tako da jedan sekundarni namot ima više izvoda. Zbroj svih snaga na sekundarnoj strani u idealnom transformatoru jednak je električnoj snazi koju transformator troši iz izvora električne energije (npr. iz gradske mreže).

Iz jednakosti snaga primara i sekundara Ps = Pp ili Us x Is = Up x Ip slijedi:

Is = Ip x Up / Us

Stvarne izvedbe transformatora karakteriziraju međutim gubici, koje čini energija potrebna za magnetiziranje feromagnetske (ili druge) jezgre, gubici zbog vrtložnih struja, gubici u bakru (omski gubici u žicama od kojih su namotani namoti), itd. Zbog tih gubitaka je korisna snaga sekundara ponekad i desetak posto manja od utrošene snage primara.

Gubici uslijed vrtložnih struja u željeznoj jezgri smanjuju se pakiranjem jezgre iz međusobno (lakom ili papirom) izoliranih transformatorskih limova posebnog sastava (s dodatkom silicija) od feromagnetskog materijala koji imaju dobru magnetsku vodljivost i osiguravaju dobru magnetsku spregu između namota. Transformatori za vrlo visoke frekvencije gdje bi gubitci snage u jezgri bili veći od gubitaka u namotima uzrokovanih slabom spregom imaju jezgre od posebnih keramičkih materijala (feriti) ili sinterirane željezne prašine u izolirajućoj masi.

Kod malih transformatora, namoti se motaju žicom koja je izolirana lakom (tzv. "lak-žica"), dok se kod velikih transformatora koriste i druge vrste izolacija.

Trafo3.jpg

Približni proračun transformatora[uredi VE | uredi]

Uvijek su uz napon izvora (npr. gradske mreže) zadani i željeni napon i snaga (ili jakost struje) sekundara. Pretpostavljajući uobičajenu frekvenciju europskih mreža od 50 Hz, gustoću magnetskog toka u željeznoj jezgri od 12 000 Gausa, dopušteno opterećenje žice namotaja 2,4 - 2,5 A/mm^2 i gubitke u željezu i bakru od 25%, približna potreba snage na primaru iznosit će:

Pp = 1,25 Us x Is (W)

Za približni proračun nadalje važe iskustveni obrasci:

prerez srednjeg stupa jezgre (monofaznih transformatora): SFe = √Pp cm^2 (Pp u W)

Broj zavoja po 1 voltu: n = 40 / SFe zavoja/V (SFe u cm^2), odnosno:

Zp = Up x n zavoja u primaru i:

Zs = 1,1 x Us x n zavoja u sekundaru (1,1 kompenzira padove napona)

Promjeri žice: dp = √(Ip/2) i ds = √(Is/2) mm (Ip i Is u A)

Opterećenje primara transformatora se izražava po obrascu

Rp = Rs * Up2 / Us2 Odnosno Rp = Rs * Zp2 / Zs2

poveznice[uredi VE | uredi]