A transzformátorok a villamosenergia-rendszerek legismertebb berendezései. Nagyok, jellegzetesek, elvileg egyszerűek, de sok karbantartást igényelnek, így sokkal tartalmasabbnak tűnnek, mint a „kábelek”. Az áramhálózati diagramon a transzformátorok olyanok, mint a gerinchálózati csomópontok, míg más berendezések szolgálják a csatlakozásukat.

Ez a cikk bemutatja a transzformátorok összetevőit, elveit, funkcióit, osztályozását és alkalmazási forgatókönyveit.

1. A transzformátor összetétele

A transzformátor főként egy magból és tekercsekből áll.

A mag a transzformátor mágneses áramköri útjaként szolgál, míg a tekercsek az elektromos áramkör része, amelyet bizonyos számú zománcozott huzal{0}}fordulatának feltekerésével készítenek.

Az áramforráshoz csatlakoztatott primer tekercs, más néven primer tekercs. A terheléshez csatlakoztatott szekunder tekercs, más néven szekunder tekercs, vagy másodlagos oldaltekercs.

A magszerkezetek alapvető formái a szív{0}}alakú magtípus és a héjtípus.

• Szív{0}}magos transzformátor

A mag-típusú transzformátor oszlopait tekercsek veszik körül. Egyszerűen fogalmazva, a tekercsek körülveszik a magot, így a szerkezet viszonylag egyszerű, könnyebben összeszerelhető és szigetelhető, ezért a transzformátorok gyakran mag-típusú szerkezetet használnak.

• Shell{0}} típusú transzformátor

A héj{0}}típusú transzformátorban a mag körülveszi a tekercset. A shell-típusú transzformátorok nagy mechanikai szilárdsággal és kiálló sarkokkal rendelkeznek, de gyártási folyamatuk összetett és több anyagot igényel. Általában csak kis-feszültségű, nagy-áramú transzformátorokban vagy kis-kapacitású táptranszformátorokban használják őket.

2. A transzformátor alapvető működési elve

A transzformátor az elektromágneses indukció elvén működik.

Ha a primer tekercs mindkét végére megfelelő váltóáramú tápegység van csatlakoztatva, az u tápfeszültség hatására₁, egy váltakozó áramú i₀ átfolyik a primer tekercsen, és az elsődleges tekercsben magnetomotoros erőt hoz létre. Ez váltakozó ϕ mágneses fluxust gerjeszt a magban. Ez a ϕ váltakozó fluxus összekapcsolja mind a primer, mind a szekunder tekercset. Az elektromágneses indukció törvénye szerint az indukált elektromotoros erők pl₁és e₂primer és szekunder tekercsben keletkeznek. Az indukált elektromotoros erő hatására e₂, a szekunder tekercs képes táplálni a terhelést, energiaátvitelt érve el.

Az indukált elektromotoros erők aránya a primer és szekunder tekercsben megegyezik a primer és szekunder tekercsben lévő fordulatok számának arányával. Az indukált elektromotoros erő nagysága e₁a primer oldalon közel van a rákapcsolt u feszültséghez₁a primer oldalon, míg az indukált elektromotoros erő nagysága e₂a szekunder oldalon közel van az u kimeneti feszültséghez₂a másodlagos oldalon.

Ezért a primer vagy szekunder tekercs fordulatszámának egyszeri vagy kétszeri megváltoztatásával a kimeneti feszültség u₂állítható. Ez a transzformátor alapvető működési elve, amely az elektromágneses indukció elvét használja egy feszültségszintű váltakozó áramú áramforrás átalakítására azonos frekvenciájú, de eltérő feszültségszintű váltakozó áramú áramforrássá.

2. A transzformátor alapvető funkciói

A transzformátor alapvető funkciói közé tartozik a feszültségátalakítás, az áramátalakítás, az impedancia-átalakítás, a leválasztás és a feszültségszabályozás.

Feszültség transzformáció: A transzformátorok növelhetik vagy csökkenthetik a váltakozó áram feszültségét, hogy megfeleljenek a különböző villamosenergia-szükségleteknek. Például egy lépcsős-transzformátort használnak az erőmű feszültségének növelésére, hogy csökkentsék az energiaveszteséget az átvitel során, míg egy lépcsős-transzformátort használnak a magasfeszültség biztonságos használati feszültségre való csökkentésére.

Áramátalakítás: A feszültség változtatásával a transzformátor ennek megfelelően változtatja az áramerősséget is. A teljesítmény megmaradás törvénye szerint a feszültség növekedésével az áramerősség csökken, és fordítva. Ez a jellemző a transzformátorokat nagyon fontossá teszi az erőátvitelben, mivel hatékonyan tudják kezelni az áramterhelést.

Impedancia transzformáció: A transzformátorok megváltoztathatják az áramkör impedanciáját, így jobban megfelelnek a különböző terhelési feltételeknek. Ez különösen fontos az audioberendezéseknél és más elektronikus eszközöknél, mivel javíthatja a jelátvitel hatékonyságát.

Leválasztás: A transzformátorok elektromos szigetelést biztosítanak, védve a berendezések és a felhasználók biztonságát. Ez a leválasztás megakadályozhatja, hogy a nagyfeszültség károsítsa a kisfeszültségű-berendezést, így biztosítva a berendezés biztonságos működését.

Feszültségszabályozás: Bizonyos típusú transzformátorok (pl. telíthető reaktorok) feszültségszabályozásra használhatók, elősegítve a feszültségstabilitás fenntartását, valamint az energiarendszer megbízhatóságát és stabilitását.

4. A transzformátorok osztályozása

4.1 Kapacitás szerint osztályozva

• Kis transzformátor: 10KV alatti feszültség, 1 és 500KVA közötti kapacitás.

• Kis és közepes méretű{0}}transzformátorok: 35 kV és az alatti feszültség, 630-6300 kVA kapacitás.

• Nagy transzformátorok: 110 kV és az alatti feszültség, 8000 és 63000 kVA közötti kapacitás.

4.2 Használat szerinti besorolás

• Erőátviteli transzformátor: Erőátviteli és -elosztó rendszerekben történő emelésre, lelépésre, elosztásra és összekapcsolásra, vagy kifejezetten erőművek és alállomások transzformátoraként.

• Műszertranszformátorok: például feszültségtranszformátorok és áramváltók, amelyeket mérőműszerekhez és relévédelmi eszközökhöz használnak.

• Erőátviteli transzformátor: általános gépészeti berendezések tápellátásának, világításának és jelzőfényeinek vezérlésére szolgál.

• Elektronikus transzformátor: elektronikus áramkörökben, például kapcsolóüzemű tápegységekben, hang-, impulzus- és impedanciaillesztésben használják.

• Teszttranszformátor: képes nagy feszültséget generálni, hogy elektromos berendezéseken nagyfeszültségű{0}}teszteket lehessen végezni.

• Speciális transzformátorok: például elektromos kemence transzformátorok, egyenirányító transzformátorok, feszültségszabályozó transzformátorok stb.

4.3 A transzformátor tekercseinek fázisszáma szerint osztályozva

• Egy-fázisú transzformátor: egy-fázisú terhelésekhez és három-fázisú transzformátorcsoportokhoz használható.

• Három-fázisú transzformátor: A feszültség növelésére vagy csökkentésére szolgál három-fázisú rendszerekben.

4.4 A transzformátoros hűtési módszer szerint osztályozva

• Száraz{0}}típusú transzformátor: Légkonvekciós hűtés, általában kis kapacitású transzformátorokhoz, például helyi világításhoz és elektronikus áramkörökhöz használják.

• Olaj-merített transzformátor: Olyan transzformátor, amely transzformátorolajat használ szigetelő- és hűtőközegként, a mag és a tekercsek teljesen a szigetelőolajba merülnek.

4.5 A transzformátor tekercs csatlakozási típusa szerint osztályozva

• Kettős-tekercselésű transzformátor: Két feszültségszint csatlakoztatására szolgál az elektromos rendszerben.

• Három-tekercses transzformátor: Általában az energiarendszer regionális alállomásain használják három feszültségszint csatlakoztatására.

• Autotranszformátor: A primer és a szekunder tekercsek egybe vannak kapcsolva, különböző feszültségű áramellátó rendszerek csatlakoztatására szolgál. Használható normál léptető-felfelé vagy{2}}leléptetőként is.

4.6 A transzformátor működési frekvenciája szerint osztályozva

• Teljesítményfrekvencia transzformátor: működési frekvenciája 50Hz vagy 60Hz.
• Köztes frekvenciaváltó: működési frekvenciája 400-1000 Hz.
• Hangfrekvenciás transzformátor: működési frekvenciája 20Hz-20kHz.

• Szuperszonikus frekvenciaváltó: Működési frekvenciája 20 kHz felett van, általában nem haladja meg a 100 kHz-et.

• Nagy{0}}frekvenciás transzformátor: 20 Hz-től 100 kHz feletti működési frekvenciájú transzformátor.

5. Transformers alkalmazási forgatókönyvei

5.1 Energiaellátó rendszer

• Erőművek: A transzformátorok a generátorok által generált feszültség növelésére szolgálnak az elektromos hálózatba történő átvitelhez, lehetővé téve a nagy távolságú{0}} villamosenergia-átvitelt.

• Alállomások: Az alállomásokon a transzformátorok a nagy-feszültségű villamos energiát alacsony-feszültségű villamos energiává alakítják, hogy megfeleljenek a különféle elektromos berendezések igényeinek. Ugyanakkor a transzformátorok olyan funkciókat is elláthatnak, mint a meddőteljesítmény kompenzáció és a feszültség beállítása, biztosítva az energiarendszer stabil működését.

• Távvezetékek: A távvezetékekben transzformátorokat használnak a feszültség növelésére, hogy csökkentsék az energiaveszteséget, és ezáltal hatékony, nagy távolságú{0}} villamosenergia-átvitelt érjenek el.

5.2 Civil szektor

• Háztartási elektromos áram: A teljesítménytranszformátorok a nagy-feszültségű villamos energiát alacsony-feszültségű elektromos árammá alakítják, otthoni használatra alkalmassá, így biztosítva a lakosok normál áramfogyasztását.

• Akkumulátorok töltése: Legyen szó laptopról, telefonról vagy elektromos járműről, ezeknek az eszközöknek a működéséhez akkumulátorra, az akkumulátorok töltéséhez pedig transzformátorra van szükség. A transzformátor fő funkciója a feszültség szabályozása és a szivárgóáramok vagy túlfeszültségek áthaladásának megakadályozása az eszközökön.

5.3 Kommunikációs mező

A kommunikációs transzformátorokat telefonterminál-áramkörökben és fővonali termékekben használják a kommunikációs áramkörök minőségének és állapotának szabályozására. Ezenkívül a kommunikációs transzformátorokat széles körben használják kábelmodemekben, hálózati kártyákban, hubokban, xDSL szélessávú kommunikációs berendezésekben, switchekben, száloptikai adó-vevőkben, útválasztókban, beágyazott rendszerekben és VoIP hálózati kommunikációs eszközökben.

5.4 Egyéb speciális alkalmazások

• Audioberendezések: Az audiotranszformátorokat általában az áramkörön átfolyó jelek elkülönítésére használják, és segítik a forrás és a terhelés impedanciaértékeinek összehangolását. Ezenkívül kiküszöbölhetik a nem kívánt vagy zajos jeleket, és kiszűrhetik a bemeneti jelet. Az ilyen típusú transzformátorokat kifejezetten a hallható tartományon belüli jelek kezelésére tervezték, azaz a 20Hz és 20kHz közötti frekvenciájú jeleket.

• Mérőműszerek: Árammérők, feszültségmérők és különféle egyéb mérőeszközök és eszközök általában transzformátorokat használnak az általános működéshez. Például a mérőáram-transzformátorok a szükséges biztonságot nyújtják az áramkör számára azáltal, hogy leválasztják a mérőeszközt az áramkör többi részétől, és elnyomják vagy lecsökkentik a nagy áramokat az optimális értékekre, mielőtt betáplálnák őket az ampermérőre.

• Egyenirányítás: Az egyenirányító transzformátorok váltakozó áramot egyenárammá alakíthatnak, olyan alkalmazásokhoz, mint a motorvezérlés, a bányászat, az elektromos kemencék, a kutatás-fejlesztési laboratóriumok, a nagy{0}}feszültségű egyenáram-átvitel és még sok más.