Transformaator

Trafo tingmärk ühejoone-
skeemis

Transformaatorehktrafoonelektromagnetilisel induktsioonilpõhinev staatiline (liikuvosadeta) energiamuundur, mis võimaldab muutavahelduvpingetja vastavalt vahelduvvoolu, seejuures ilmasagedustmuutmata.

Transformaatori nimetus on tulnudladinakeelsestsõnasttransformare– 'muundama'.

Ehitus ja talitlus

Trafo põhiosad onmähisedja südamik. Südamik moodustabmagnetahelaja mähisedelektriahelad.Lihtsaim trafo koosnebferromagnetilisestsüdamikust ning kahest vasktraadist keritud mähisest ‒ primaarmähisest (ladina kprimariusesmane) ja sekundaarmähisest (ladina ksekundariusteisene).

Muundatava vahelduvvoolu energia antakse primaarmähisesse, millest see siirdub sekundaarmähisesse mähistevahelisevastastikuse induktsioonivahendusel: primaarmähises kulgev vahelduvvool tekitab südamikus perioodiliselt muutuvamagnetvoo,mis indutseerib sekundaarmähises vahelduvaelektromotoorjõu.Kui sekundaarmähis ühendada energiat tarbiva elektriahelaga, läbib seda elektrivool.

Sekundaarmähises kujunevapinge‒ sekundaarpinge ‒ suuruse määrab mähiste keerdude arvu suhe. Ideaalse (energiakadudeta) trafo korral võrdub primaarpinge ja sekundaarpinge suhe primaar- ja sekundaarmähise keerdude arvu suhtega $n$ ,mida nimetatakse ülekandesuhteks:

n={N_{1} \over N_{2}}={U_{1} \over U_{2}}={I_{2} \over I_{1}},

kus $N_{1}$ ja $N_{2}$ on vastavalt primaar- ja sekundaarmähise keerdude arv; $U_{1}$ ja $U_{2}$ ‒ primaarpinge ja sekundaarpinge; $I_{1}$ ja $I_{2}$ ‒ primaarvool ja sekundaarvool.

Kuna võimsus peab nii primaar- kui ka sekundaarahelas olema võrdne (energia jäävuse seadus), siis muutub voolutugevus pöördvõrdeliselt pingega. Näiteks trafos, mille sekundaarmähisel on kolm korda vähem keerde kui primaarmähisel (n=N₁/N₂= 3), on sekundaarahela pingeU₂kolm korda madalam ja voolI₂vastavalt kolm korda tugevam (kadudeta trafo korral). Niisugust pinget madaldavat trafot kasutatakse näiteks tugeva keevitusvoolu saamiseks. Pinget tõstev trafo on kasutusel näiteks elektrienergia edastamisel, sest siis on eesmärgiks voolutugevuse vähendamise teel vähendada ülekandeliini juhtmetes tekkivat energiakadu. Teatavasti on takistuselRsoojusena hajuvvõimsusPvõrdeline vooluIruuduga. Näiteks kui pinge 10-kordse ülestransformeerimise tõttu väheneb vool liinis 10 korda, väheneb energiakadu juhtmetes 100 korda.

Südamik

Südamiku põhiülesanne on tagada mähiste vahel hea induktiivne sidestus. Madalal sagedusel (näiteks elektrivõrgu sagedusel 50 Hz) töötav trafo südamik koosnebelektrotehnilise teraselehtedest või -lindist. Kõrgematel sagedustel (alates mõnest kilohertsist) kasutatakse peamiseltmetallkeraamilistmagnetmaterjaliferriiti.

Magnetahela kuju järgi eristatakse sammas- ja mantelsüdamikke, mis on ristkülikukujulised. Kasutatakse ka rõngakujulisi südamikke ehk toroidsüdamikke, mille eeliseks on väike puisteväli, s.t magnetvälja väiksem hajumine südamikust väljapoole.

Mantelsüdamikel on hargnev magnetahel, mis ümbritseb ka mähiseid; mõlemad mähised ‒ primaar- ja sekundaarmähis ‒ paiknevad keskmisel sambal.

Sammassüdamikul on hargnematu magnetahel, kusjuures kummalegi sambale paigutatakse pool primaarmähise ja pool sekundaarmähise keerde. Niiviisi saavutatakse tugevam induktiivsidestus (võrreldes sellega, kui mähised paikneksid eraldi, nagu on kujutatud trafo põhimõtte pildil).

Mähis

Mähis on traadikeerdude kogum, mis moodustab elektriahela. Selles ahelas summeeritakse iga keeru elektromotoorjõudu. Trafo mähised ja ka nendega ühendatud vooluringid ongalvaaniliselteraldatud, s.t nende vahel puudub vahetu elektrijuhtivus.

Ühefaasilise trafo südamikule on keritud üksprimaarmähisja üks või mitusekundaarmähist.Kolmefaasilise trafo puhul on tegemist kolme ühesuguse keerdude arvuga mähiste gruppidega.

Transformaatori eriliik onautotrafo,mille südamikul on ainult üks ühe või mitme harundiga (väljavõttega) mähis. Niisugusel trafol on osa mähisest primaar- ja sekundaarmähisele ühine: pinget madaldaval trafol on harundi(te) kaudu ühendatav ühine mähiseosa sekundaarmähis, pinget tõstval trafol primaarmähis.

Ideaalne ja reaalne trafo

Ideaalne trafo

Ideaalsel transformaatoril puuduvad energiakaod mähistes ja südamikus. See tähendab, et mähiste takistus on võrdne nulliga ja südamiku magnetiline läbitavus on lõpmatu. Sellel juhul on primaarahela võimsus võrdne sekundaarahela võimsusega:

P_{1}=I_{1}\cdot U_{1}=P_{2}=I_{2}\cdot U_{2},

kus

P₁– trafosse siseneva võimsuse hetkväärtus,

P₂– trafoga muundatud võimsuse hetkväärtus.

Reaalse trafo energiakaod ja kasutegur

Reaalses trafos tekivad võimsuskaod mähistes ja südamikus. Mähistes tekivad vaseskaod ja südamikus rauaskaod. Kaovõimsusest tingitud kaoenergia muundub trafos soojuseks.

Vaseskao võimsust väljendab valem

{P_{v}}={I_{1}}^{2}{r_{1}}+{I_{2}}^{2}{r_{2}},

kus

I₁jaI₂– voolud primaar- ja sekundaarmähises,

r₁jar₂– nende mähiste aktiivtakistused.

Rauaskadusid põhjustavad perioodiline ümbermagneetimine (magnetiline hüsterees) japöörisvooludsüdamiku materjalis. Pöörisvoolukadude alandamiseks koostatakse südamik spetsiaalseelektrotehnilise teraseisoleerkattega lehtedest, kõrgematel sagedustel ferriidist, millel on suureritakistus.Võimsuskadu põhjustab ka trafo magnetvoo teatava osa hajumine kasutu puistevoona. φ Trafo kasutegur:

\eta ={\frac {P_{2}}{P_{1}}}\cdot 100\%={\frac {P_{2}}{{P_{2}}+\sum P}}\cdot 100\%,

kus

P_{1}=U_{1}I_{1}\,{\text{cos }}\,\varphi _{1}

‒ primaaraarvõimsus;

P_{2}=U_{2}I_{2}\,{\text{cos}}\,\varphi _{2}

‒ sekundaarvõimsus;

\sum P={P_{v}}+{P_{r}}

‒ vaseskao ja rauaskao summa.

Trafode kasutegur on suur ‒ 95...99%. Et trafo siiski kadudest tingitud energia tõttu liigselt ei kuumeneks, kasutatakse õhkjahutust, jõutrafode võimsusel üle 10 MVA õlijahutust, mispuhul südamik koos mähistega paikneb spetsiaalse mineraalõliga ‒ trafoõliga ‒ täidetud paagis.

Kasutamine

Trafo põhilised kasutusvaldkonnad onenergiatehnika,mõõtetehnika, signaaliedastustehnika ja võrgutoitega elektriseadmed.

Energiatehnika

Elektrienergia ülekande võrkudes kasutatavaid trafosid nimetatakse jõutrafodeks. Need ühendavad erineva pingega võrguosad ühiseks elektrivarustussüsteemiks.Elektrijaamadestransformeerivad jõutrafodgeneraatoritepingekõrgepingeks(110, 220 või 330 kV), et energiat väiksema energiakaoga kauge maa taha üle kanda.Alajaamadesmuundavad trafod selle pingejaotusvõrkudejaoks madalamaks kõrgepingeks (nt 36 kV) ja tarbija juuresmadalpingeks(enamasti 230 V / 400 V).

Trafode võimsust väljendatakse näivvõimsuse (S=U•I) ühikuga voltamper (tähis V•A ehk VA). Jõutrafode võimsus võib ületada 1 GVA (gigavoltampri) piiri.

Mõõtetehnikas kasutatakse trafosid ‒ pingetrafosid ja voolutrafosid ‒ kõrge pinge ja tugeva voolu muundamiseks näiduriistade jaoks sobivale väärtusele.

Elektritarvitid

Elektri- ja elektroonikaseadmetetoitelülitustesjatoiteadapteriteskasutatakse trafot võrgupinge (230 V) madaldamisekselektritarvitilevajalike väärtusteni. Vahetult võrgupinget muutva massiivse trafo asemel kasutatakse tänapäevastesimpulsstoitelülitustessuurel sagedusel (kuni 100 kHz) töötavat väikest trafot.

Trafo eraldab ühtlasi tarviti elektrivõrgustgalvaaniliselt.Samal otstarbel kasutatakse elektriohutuse tagamiseks ka spetsiaalseideraldustrafosidülekandesuhtega 1:1.

Signaaliedastus ja -töötlus

Signaaliedastusahelates kasutatakse trafosid signaaliahelate sidestamiseks, signaalide pinge muutmiseks, signaaliahelateimpedantsidesobitamiseks ning võimalikult väikeste kadude ja moonutustega ülekandmiseks, samuti voolu- ja pingeimpulsside tekitamiseks või muundamiseks (impulsstrafod).

Vaata ka

Välislingid

Trafod
Trafo konstruktsioon
Põhjalik ülevaade(Denveri ülikool; inglise keeles)