Transzformátor (elektromos) — meghatározás, működés és típusok

Ismerje meg a transzformátor működését, típusait és gyakorlati alkalmazásait — egyszerű magyarázatok, ábrák és villamos hálózati példák.

A transzformátor olyan eszköz, amely az elektromos energiát az egyik elektromos áramkörből a másikba kölcsönös (elektromágneses indukció) és frekvenciaváltozás nélkül továbbítja. A transzformátorok az elektromos rendszerek fontos részét képezik: lehetővé teszik a feszültség és áram viszonyainak megváltoztatását úgy, hogy közben a frekvencia és a teljesítmény (ideális esetben) nem változik.

Transzformátorok sokféle méretben készülnek, a nagyon kicsi, színpadi mikrofonban lévő csatoló transzformátoroktól a több száz MVA-t szállító, nagy egységekig, amelyeket a villamosenergia-hálózatokban használnak.

A transzformátor használatának fő oka az, hogy egy feszültségszintű teljesítményt egy másik feszültségszintűvé alakítson át. A nagyfeszültséget könnyebb nagy távolságra küldeni, de a kisebb feszültséget könnyebb és biztonságosabb az irodában vagy otthon használni. A transzformátorokat arra használják, hogy növeljék vagy csökkentsék a váltakozó áramú (AC) feszültséget az áramkörökben. A transzformátor általában két tekercsből épül fel ugyanazon mag körül. Az elsődleges tekercs vagy bemeneti tekercs a tápoldalhoz van csatlakoztatva, míg a másodlagos tekercs a terheléshez szolgáltat áramot. A másodikat kimeneti tekercsnek nevezik. Az energiát az elsődlegesről a másodlagosra elektromágnesesség útján továbbítják. A villamosenergia-hálózatokban sok transzformátort használnak. Ezek olyan hálózatok, amelyek a generátortól a felhasználóhoz szállítják a villamos energiát.

Az Ön szomszédságában, a villanyoszlopokon vagy a föld alatti vezetékekhez csatlakoztatott transzformátorok általában a 7200 voltos nagyfeszültséget 220-240 voltos villamos energiává alakítják át, hogy a világítást és a háztartásokban és a vállalkozásokban lévő készülékeket, például hűtőszekrényeket táplálják. Egyes országokban, például Amerikában más feszültséget használnak az otthonokban, például 120 voltot. A transzformátorok nem tudják növelni a teljesítményt, így ha a feszültséget emelik, az áram arányosan csökken. Ha a feszültséget csökkentik, az áram arányosan nő.

Az elektronikai berendezésekben lévő transzformátorok biztosítják a különböző alkatrészek számára szükséges elektromos áramot.

Működési elv röviden

A transzformátor alapja a mágneses fluxus és az indukció törvénye. Ha az elsődleges tekercsben váltakozó áram folyik, akkor az a vasmagban változó mágneses teret hoz létre. Ez a változó mágneses tér a másodlagos tekercsben feszültséget indukál. Az ideális transzformátor egyenletek egyszerűsítve:

• Feszültségarány: Vp/Vs = Np/Ns (ahol Vp és Vs az elsődleges, ill. másodlagos feszültség, Np és Ns a tekercsek menetszáma)
• Áramarány: Ip/Is = Ns/Np (az áramok fordított arányban változnak a menetszámmal)
• Teljesítménymegmaradás (ideálisan): Vp·Ip ≈ Vs·Is

Ezek az összefüggések segítenek megérteni, miért csökken az áram, ha a feszültség nő, és fordítva, miközben az átadott valódi teljesítmény nem nő.

Konstrukció és fő alkatrészek

• Vasmag: általában rétegezett szilíciumacélt használnak a hiszterézis- és örvényáram-veszteségek csökkentésére.
• Tekercsek: réz vagy alumínium vezetékből készülnek, szigeteléssel; lehetnek egymástól különálló tekercsek vagy közös tekercselés (autotranszformátor).
• Szigetelés: a tekercsek és a mag közötti, valamint a kivezetések közötti szigetelés biztosítja a biztonságot és a megbízhatóságot.
• Ház és hűtés: transzformátorok lehetnek levegő- vagy olajhűtésűek; nagy teljesítményű egységeket gyakran olajban hűtenek és hőcserélők, ventilátorok, illetve radiátorok segítik a hőleadást.

Fő veszteségek és üzemelési jellemzők

• Vasmagveszteség: hiszterézis- és örvényáram-veszteségek a magban (frekvenciafüggő).
• Tekercsveszteség: a vezetők ellenállása miatt fellépő Joule-hő (I2R veszteség), terhelésfüggő.
• Szivárgási induktivitás és reaktív áramok: a tökéletlen mágneses kapcsolat hatása befolyásolja a feszültségszabályozást.
• Terhelésfüggő feszültségszabályozás: a transzformátor kimeneti feszültsége terhelés hatására kissé változhat; ezt kifejezik a szabályozás százalékában.

Típusok és alkalmazások

A transzformátoroknak több alapvető típusa létezik:

• Elosztói transzformátorok: utcai vagy oszlopra szerelt egységek, amelyek a hálózati feszültséget lakossági szintre alakítják (például 7200 V → 220–240 V vagy 120 V egyes országokban).
• Erőművi és hálózati transzformátorok (power transformers): nagy teljesítményű, magas feszültségű transzformátorok, amelyek a villamosenergia-hálózatokban a generátorok és távvezetékek között dolgoznak.
• Autotranszformátorok: részben közös tekercselésű megoldások, kisebb mérettel és költséggel, de nincs galvanikus leválasztás az elsődleges és másodlagos között.
• Izolációs transzformátorok: galvanikusan leválasztják a terhelést a tápforrástól, javítva a biztonságot és csökkentve a zavarszórást.
• Áram- és feszültségváltó (mérőtranszformátorok): áramtranszformátorok (CT) és feszültségváltók (PT vagy VT), amelyeket mérésre és védelemre használnak a nagyfeszültségű hálózatokban.
• Pulzus- és impulzus transzformátorok: magas frekvenciás vagy impulzusos alkalmazásokhoz, például tápegységekben és kommunikációs berendezésekben.
• Különleges célú transzformátorok: például audio-transzformátorok, rezonancia-transzformátorok, kísérleti tápok stb.

Biztonság, karbantartás és vizsgálatok

• Biztonság: a transzformátorok nagy feszültséget tartalmazhatnak; megfelelő földelés, szigetelés és védőburkolat fontos a balesetek elkerüléséhez.
• Karbantartás: olajjáratú transzformátoroknál olajvizsgálat, szigetelésmérés, hűtőrendszer ellenőrzése; száraz transzformátoroknál a csatlakozások és a szigetelések ellenőrzése.
• Vizsgálatok: transzformátorarány-teszt (turn ratio), szigetelési ellenállásmérés (megger), lekötési és zárlati próbák, olaj dielektromos vizsgálat nagyfeszültségű tesztekre.

Tipikus alkalmazási példák

• Átviteli hálózatok: feszültség emelése nagy távolságra történő szállításhoz és csökkentése fogyasztói szintekre.
• Ipari üzemek: gépek működtetése, vezérlőáramkörök biztosítása, feszültségszabályozás.
• Elektronikai eszközök: tápegységekben hang- és jelcsatolás, leválasztás, impedanciaillesztés.
• Mérő- és védelmi rendszerek: áram- és feszültségmérés nagyfeszültségű berendezéseknél.

Záró megjegyzés

A transzformátorok alapvető szereplői a villamosenergia-rendszereknek és az elektronikai berendezéseknek egyaránt. A megfelelő típus kiválasztása, karbantartása és biztonságos üzemeltetése jelentősen befolyásolja az energiahatékonyságot, megbízhatóságot és a működési költségeket.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a transzformátor?

K: Mi a fő oka a transzformátor használatának?

K: Hogyan adnak át energiát a transzformátorok?

K: Hol használják a transzformátorokat a villamosenergia-hálózatokban?

K: Hogyan állítja be a transzformátor a feszültségszinteket az otthonok és a vállalkozások számára?

K: A transzformátorok növelhetik a teljesítményt?

K: Melyek a transzformátorok néhány alaptípusa?

Keresés betűvel