Transformaator

Transformaator

Transformaator ehk trafo on elektromagnetilisel induktsioonil põhinev staatiline (liikuvosadeta) energiamuundur, mis võimaldab muuta vahelduvvoolu tugevust ja pinget voolusagedust muutmata.

Transformaatori nimetus on tulnud ladinakeelsest sõnast transformare ('muundama').

Transformaatorite võimsus võib olla väga erinev murdosast voltamprist kuni gigavoltamprini ja pinge kuni sadade kilovoltideni.

Transformaatorite ehitus

Põhilised trafode osad on:

• südamik
• mähised
• jahutussüsteem

Südamik

Südamik on pöörisvoolude tõttu tekkivate kadude vähendamiseks kokku pandud õhukestest oksiidikihiga kaetud või lakiga isoleeritud teraslehtedest. Elektrotehnilisest plekist südamikud jagunevad trafoplekist stantsitud südamikeks, lintsüdamikeks ja plaatsüdamikeks. Lisaks jagunevad südamikud konstruktiivse teostamise järgi kaheks grupiks: hammassüdamikud ja siledad südamikud.

Madalsagedustel töötav trafo koosneb elektrotehnilisesest lehtterasest südamikust. Kõrgsagedustel kasutatakse trafo südamiku materjalina permalloid või ferriiti. Permalloi on nikli ja raua sulam, mis võib sisaldada kroomi, räni, koobaltit, molübdeeni vm. Ferriitsüdamikud on odavamad kui permalloidsüdamikud, sest nendel on suurem ümbermagneetimiskadu ja küllastusinduktsioon sõltub otseselt temperatuurist.

Eksisteerivad hargnevad ja hargnematu südamikud.

Mähis

Mähise põhielemendiks on keerd – elektrijuht või rida paralleelselt ühendatud elektrijuhtmeid, mis ühekordselt ümbritsevad trafo südamikku. Elektriline vool nendes juhtmetes tekitab magnetvälja, mis omakorda tekitab elektromotoorjõudu.

Mähis on keerdude kogum, mis moodustab elektriahela. Selles ahelas summeeritakse iga keeru elektrimotoorjõudu. Trafo mähiste vahel elektrilist ühendust pole. Trafo mähised ja ka nendega ühendatud vooluringid on galvaaniliselt sidestamata (isoleeritud teineteisest).

Ühefaasilise trafo südamikule on keritud üks või mitu mähist: primaarmähis ja sekundaarmähis, kui trafo on mõeldud ühele sisend- ja ühele väljundpingele. Kui on tegemist mitmemähiselise trafoga, võib nii primaar-, kui ka sekundaarmähiseid olla mitu, vastavalt kasutatavatele pingetele.

Kolmefaasilise trafo puhul on tegemist kolme ühesuguse keerdude arvuga mähiste gruppidega, mis on keritud kolmele südamikule ja paigaldatud ühele E kujulisele trafosüdamikule.

Paak

Paak on esiteks õlireservuaar, teiseks ta tagab füüsilise kaitse aktiivkomponendi jaoks. Samuti on ta toetuskonstruktsiooni rollis abistamis- ja juhtimisseadmete jaoks.

Enne paagi õliga täitmist pumbatakse temast kogu õhk välja, sest viimane võib ohustada transformaatori dielektrilise isolatsiooni tugevust.

Paagi konstruktsioon lubab temperatuurist sõltuvat õlilaiendit. Tihti paigaldatakse eraldiolev laienduspaak, mida nimetatakse samuti laiendiks.

Transformeerimisprotsess

Vastavalt mähiste keerdude arvule pinge kas tõuseb või langeb. Seda määrab transformaatori ülekandetegur:

$k = \frac{E_{1}}{E_{2}}=\frac{w_{1}}{w_{2}}$

Kus

E₁ ja E₂ – primaar- ja sekundaarmähiste allikapinged,

I₁ ja I₂ – primaar- ja sekundaarmähiste voolud.

Näiteks on primaarmähises 100 keerdu, sekundaarmähises aga 300 keerdu. Sel juhul tõuseb pinge 3 korda ehk võrdeliselt keerdude arvude suhtega.

Kuna aga võimsus peab nii primaar- kui ka sekundaarmähises ligikaudu võrdne olema (energia jäävuse seadus), siis muutub voolutugevus pöördvõrdeliselt nii pinge kui ka keerdude arvuga. Kui pinge kasvab näiteks 3 korda, siis voolutugevus kahaneb 3 korda.

Üldiselt nii mitu korda võidame sekundaarpinges, kui mitu korda kaotame sekundaarvoolus (kui trafo kõrgendab pinget). Samalaadselt trafos, mis madaldab pinget: kui mitu korda kaotame sekundaarpinges, nii mitu korda võidame sekundaarvoolus. Seda illustreerib järgmine võrrand:

$k\approx \frac{U_{1}}{U_{2}}=\frac{I_{2}}{I_{1}}$

Kus

U₁ ja U₂ – pinged primaar- ja sekundaarmähiste otstel,

w₁ ja w₂ on vastavalt keerdude arvud mähistes.

Primaarmähises ja sekundaarmähises on aktiivvõimsus ligikaudu võrdne. Seega võib ühefaasilise trafo aktiivvõimsust arvutada järgmise valemi järgi:

$P = U \cdot I \cos\varphi$

Kolmefaasilise trafo puhul on aktiivvõimsus:

$P =\sqrt{3} U \cdot I \cos\varphi$

Kus

P – vahelduvvoolu aktiivvõimsus (W),

U – pinge (V),

I – voolutugevus (A).

Faraday seadus

 Pikemalt artiklis Faraday seadus

Elektromotoorjõud, mis tekib sekundaarmähises, on arvutatav Faraday seaduse järgi:

$U_{2} = N_{2} \frac{d\Phi}{dt}$

Kus

U₂ – pinge sekundaarmähises,

N₂ – keerdude arv sekundaarmähises,

Φ – summaarne magnetvoog, mis läbib ühe keeru. Kui mähise keerud on paigutatud risti magnetvälja joontega, siis on voog võrdeline magnetväljaga B ja pindalaga S, mida ta läbib.

Elektromotoorjõud, mis tekib primaarmähises, on vastavalt:

$U_{1} = N_{1} \frac{d\Phi}{dt}$

Kus

U₁ – pinge hetkväärtus mähise otstel,

N₁ – keerdude arv primaarmägises.

Kui me jagame U₂ U₁'ga, siis saame järgmise suhte:

$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$

Ideaalne trafo

Ideaalne transformaator – transformaator, millel puuduvad energiakaod mähise soojenemisel. See tähendab, et mähiste takistus on võrdne nulliga ja südamiku magnetläbitavus on lõpmatu. Sellel juhul sissetulev energia on võrdne muundatud energiaga:

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

Kus

P₁ – trafosse siseneva võimsuse hetkväärtus,

P₂ – trafoga muundatud võimsuse hetkväärtus.

Kui ühendame selle võrrandi pinge suhtega mähiste otstel, siis saame ideaaltrafo võrrandi:

$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}$

Saame, et pinge suurenemisel sekundaarmähise otstel U₂, sekundaarahela voolI₂ väheneb.

Trafo tühijooks

Kui trafo primaarmähis on lülitatud pingele U₁, kuid sekundaarmähis(ed) ei ole tarbijaga ühendatud, siis on trafo tühijooksus. Nimetatud tingimustel on vool sekundaarmähises võrdne nulliga ja primaarmähises on tühijooksuvool.

Tühijooksukatsel määratakse mõõteriistade abil trafo kasutegur ja energiakadude võimsus südamikus. Tühijooksukatse on üks kahest kohustuslikust kontrollkatsest, mida tehakse valmistatud trafoga tehases.

Trafo lühis

Trafo on lühises siis, kui sekundaarmähise otsad on omavahel ühendatud. Tarbija takisti on sel juhul null, seega sekundaarpinge U₂ on samuti null. Primaarmähis on lülitatud sellisele nn. lühispingele, et lühisvool primaarmähises võrduks trafo nimivooluga.

Lühisekatsel mõõdetakse olulisi trafo parameetreid: energiakadude võimsust traatides (kaod vases), sisemise pingelangust, trafo temperatuuri katse ajal jm. Lühisekatse on teine kohustuslikest kontrollkatsetest, mida tehakse tehases.

Trafo energiakaod ja kasutegur

Kuna trafol puuduvad pöörlevad osad, siis puuduvad ka hõõrdekaod. Voolud trafomähistes põhjustavad mähises kadusid:

${P_{m}} = {I_{1}}^2{r_{1}} + {I_{2}}^2{r_{2}}$

Kus

I₁ ja I₂ – voolud primaar- ja sekundaarmähises,

r₁ ja r₂ – nende mähiste aktiivtakistused.

Kaod mähises määratakse trafo lühisekatse teel. Tühijooksukatsel määratakse kadusid terases P_t, mida tingivad pöörisvoolud, südamiku soojenemine ja pidev ümbermagneetumine (magnetiline hüsterees). Trafos, milles on monoliitterassüdamik, on energiakaod tunduvalt suuremad kui trafos, milles südamik koosneb paljudest sektsioonidest (sellel juhul pöörisvoolude hulk kahaneb). Praktikas aga monoliitsüdamikke ei kasutata. Südamiku energiakadude alandamiseks, võib ta olla valmistatud eriliste trafoteraste liikidest räni lisamisega, mis tõstab terase eritakistust.

Trafo kogukaod:

$\sum P = {P_{m}}+{P_{t}}$

Kasutegur:

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

Kus P₁=U₁I₁cos φ₁ on primaarvõimsus võrgust ja P₂=U₂I₂cos φ₂ tarbijale antav sekundaarvõimsus ehk kasulik võimsus. Transformaatorite kasutegurid on piisavalt kõrged ja võivad ulatuda kuni 90...99%.

Lineaartrafo võrrand

Olgu i₁, i₂ – on vastavalt primaar- ja sekundaarmähise voolu hetkväärtused, u₁ – primaarmähise pinge hetkväärtus, R_H – koormuse takistus. Siis

$u_1=L_1 {di_1\over dt}+L_{12}{di_2\over dt}+i_1 R_1$

$L_2{di_2\over dt} + L_{12}{di_1\over dt}+i_2R_2=-i_2R_H$

Kus L₁, R₁ – induktiivsus ja primaarmähise aktiivtakistus, L₂, R₂ – sama sekundaarmähise jaoks, L₁₂ – mähiste vastastikune induktiivsus. Kui primaarmähise magnetvoog täielikult läbib sekundaarmähist (st puudub puisteväli), siis $L_{12}=\sqrt{L_1 L_2}$. Mähiste induktiivsused esimeses lähenduses on võrdelised keerdude arvu ruuduga.

Me saime diferentsiaalvõrrandite süsteemi voolude jaoks. On võimalik neid diferentsiaalvõrrandeid teisendada tavalisteks algebralisteks, kui võtta kasutusele kompleksamplituudi meetodit.

Selleks vaatame, mis on süsteemi vastuhõik sinus-signaalile u₁=U₁ e^{-jω t} (ω=2π f, kus f – signaali sagedus, j – imaginaarühik). Saame i₁=I₁ e^{-jω t} jne, taandades eksponent-tegureid saame:

U₁=-jωL₁ I₁ -jωL₁₂ I₂+I₁ R₁

-jωL₂ I₂ -jω L₁₂ I₁+I₂ R₂ =-I₂ Z_H

Kompleksamplituudi meetod võimaldab uurida nii puhtaktiivset kui ka suvalist koormust, kusjuures on piisav vahetada koormuse takistust R_н tema näivtakistusega Z_H. Saadud lineaarvõrranditest on kerge avaldada voolu koormuse läbi, kasutades Ohmi seadust.

Transformaatorite kuumenemine ja lubatud koormused

Trafo südamikus tekkivad energiakaod pöörisvoolude ja ümbermagneetumise tõttu. Pöörisvoolude vähendamiseks peavad südamiku plekid olema piisavalt õhukesed ja üksteisest isoleeritud nii, et ei saa tekkida voolu ümber magnetahela. Ümbermagneetumuse kadude vähendamiseks tuleb valida parem südamiku materjal ja seda õigesti töödelda. "Kadunud energia" muutub südamikus soojuseks, mistõttu temperatuur töötamisel tõuseb.

Trafo südamikus eralduv soojus ei sõltu trafo koormusest ja on tühijooksul sama, mis koormatud trafo korral. Trafo koormamisel eraldub trafo mähises soojus nagu igas voolujuhis, võrdeliselt läbiva voolu ruudu ja takistuse korrutisega. Kui eraldunud soojus kuumutab trafo üle isolatsioonimaterjali temperatuuritaluvuse piiri, siis isolatsioon söestub ja võib tekkida lühis.

Trafo koormamist piirab ka puisteinduktiivsus, mis avaldub, nagu oleks järjestikku ühendatud lisainduktiivsus.

Jahutamine

Väikese võimsusega trafosid jahutab neid ümbritsev õhk, jõutrafod on tavaliselt õlijahutusega. Jõutrafo paigutatakse teraskasti, mis on täidetud erilise vedela mineraalõliga – trafoõliga. Õli aitab isoleerida ja kaitsta mähiseid õhu niiskuse ja hapniku kahjustava toime eest, samuti ta kannab soojust trafost ära. Soojenev õli hakkab tsirkuleerima tankis ning uhtub mähiseid ja südamikku, seega jahutab neid (konvektsiooni tõttu). Õli jaoks on trafo konstruktsioonis jäetud vahed südamiku ja mähiste vahele. Trafoõli vajab perioodilist kontrolli ja vahetamist selleks ettenähtud tähtaegadel, sest ta oksüdeerub ja niiskub teatud aja jooksul. Trafoõli on põlev ja plahvatusohtlik. Selle tõttu suurte trafode alla (näiteks alajaamades) tehakse augud, mis peavad mahutama kogu õlimahu, kui tekib avarii.

Eriti oluliste seadmete jaoks kasutatakse trafosid, mille tankid on täidetud kristallkvartsliivaga või mittepõleva sünteetilise dielektrilise vedelikuga; see vedelik ja tema aurud on mürgised.

Trafode kasutusalad

Tihti kasutatakse trafosid elektrivõrkudes ja erinevate seadiste toiteallikates.

Kasutamine elektrivõrkudes

Kompaktne võrgutrafo

Kuna energiakaod traadi soojenemisel on võrdelised voolu ruuduga, mis läbib seda traati, siis elektrienergia edasikandmiseks pika maa taha on tulus kasutada suurt pinget ja väikest voolutugevust. Ohutuse mõttes ja isolatsiooni massi vähendamiseks ei ole aga suured pinged soovitatavad. Seepärast ongi tulus kasutada trafosid: esmalt selleks, et tõsta generaatoripingeid elektrijaamades enne energia edasitoimetamist, seejärel, et alandada elektriliini pinget tarbija jaoks vastuvõetava nivooni.

Kuna elektrivõrgus on kolm faasi, siis pinge muundamiseks kasutatakse kolmefaasilisi trafosid või kolm ühefaasilist trafot, mis on ühendatud täht- või kolmnurkühenduse skeemi järgi. Kolmefaasilisel trafol on ühine südamik kolme faasi jaoks.

Võimsates trafodes, milledel on suur kasutegur (99% või rohkem), eraldub suurem võimsus (soojusena). Seepärast elektriliinide trafodes kasutatakse jahutussüsteemi õlipaagiga.

Kasutamine elektritoiteallikates

Erinevate elektriseadmete sõlmede toitmiseks on tarvis erinevaid pingeid. Seadmed, mis vajavad mitme erineva suurusega pingeid, sisaldavad mitme sekundaarmähisega trafosid või sisaldavad lisatrafosid juba skeemis. Näiteks kineskoopteleris saadakse trafode abil pinget 5 voldist (mikroskeemide ja transistorite toitmiseks) mitme kilovoldini (anoodi toitmiseks).

Minevikus kasutati põhiliselt trafosid, mis töötasid elektrivõrgusagedusega ehk 50–60 Hz.

Kaasaegsetes raadio- ja elektriseadmete toiteskeemides (näiteks, personaalarvuti toiteplokkides)kasutatakse laialdaselt kõrgsagedusimpulsstrafosid. Võrgust tulev vahelduvpinge alaldatakse impulsstoiteplokkides ning seejärel muundatakse invertori abil kõrgsagedusimpulssideks. Elektritoite juhtimissüsteem võimaldab pinget stabiliseerida pulsilaiusmodulatsiooni abil. Kõrgsagedusimpulsid antakse impulsstrafole ette, mille väljundist alaldamise ja filtreerimise pärast saadakse stabiilset alalispinget.

Minevikus oli võrgutrafo (50–60 Hz) üks raskeimatest detailidest paljudes seadmetes. Trafo lineaarmõõdud on määratud tema üleantava võimsusega. Neid mõõtmeid saab vähendada, suurendades vahelduvpinge sagedust. Seepärast on kaasaegsed toiteplokid sama võimsusega, aga tunduvalt kergemad.

50–60 Hz trafosid kasutatakse puudustest hoolimata toiteskeemides ka praegu, juhul, kui on vaja tagada kõrgesagedusliku müra minimaalset taset, näiteks kõrgekvaliteedilises heli taasesituses.

Transformaatorite liigid

Erinevad trafode liigid

Jõutrafod

Jõutrafo – transformaator, mis on tehtud elektrienergia muundamiseks elektrivõrkudes ja seadmetes, mis on mõeldud elektrienergia vastuvõtmiseks ja kasutamiseks.

On olemas järgmised jõutrafode liigid:

• ühefaasilised jõutrafod;
• kolmefaasilised jõutrafod – kasutatakse elektriülekandel.

Autotrafod

 Pikemalt artiklis Autotrafo

Autotrafod ehk latterid ehk säästetrafod on transformaatori variant, milles primaarmähis ja sekundaarmähis on otstest ühendatud, mistõttu ühine mähis omab nii elektromagnetilist kui ka elektrilist seost. See trafo võimaldab sujuvalt pinget reguleerida. Selliseid trafosid kasutatakse elektrimootorite käivituspinge reguleerimisel või laboriseadmetes pinge sujuval reguleerimisel.

Eraldustrafod

 Pikemalt artiklis Eraldustrafo

Eraldustrafo on transformaator, mille primaar- ja sekundaarmähis on teineteise suhtes isoleeritud.

Elektrivõrgu nulljuhe võiks olla ühendatud "maaga", sel põhjusel, et kui inimene samaaegselt puudutab faasi traati ja maandatud seadet, tema keha lühistab elektriahela, mis tekitab elektrilöögiohu. Kui seade on ühendatud võrku läbi trafo, on puudutamine täiesti ohutu, sest trafo sekundaarahel on "maaga" ühendamata.

Impulsstrafod

 Pikemalt artiklis Impulsstrafo

Impulsstrafo - transformaator, mis on mõeldud impulsssignaalide muundamiseks minimaalse signaali vormi moonutusega, kusjuures impulsi kestvus võib olla kuni kümnendik mikrosekundit.

Keevitustrafod

 Pikemalt artiklis Keevitustrafo

Keevitustrafo on transformaator keevitusvoolu ja kaarleegi saamiseks keevitustöödel.

Kõrgsagedustrafod

 Pikemalt artiklis Kõrgsagedustrafo

Kõrgsagedustrafo – transformaator, mis on mõeldud tööks kõrgematel sagedustel, kus on raske leida head südamiku materjal, mis tekitaks vähem kadusid.

Mõõtetrafod

 Pikemalt artiklis Mõõtetrafo

Mõõtetrafo on transformaator, mille eesmärk on muundada elektrienergiat mõõteaparaadile sobivale tasemele. Kasutatakse väga suurte või väga väikeste vahelduvpingete (ja voolude) mõõtmiseks elektrikaitsesüsteemide ahelates.

Alalisvoolu mõõtetrafo on magnetvõimendi, mis väikese võimsuse alalisvooluga juhib võimsamat vahelduvvoolu. Alaldi kasutamisel on väljundvool püsiv ja sõltub sisendsignaali suurusest.

Mõõte-jõutrafod on laialdaselt kasutatavad väikse ja keskmise võimsusega (kuni megavatini) vahelduvvoolugeneraatorite skeemides, näiteks diiselgeneraatorites. Niisugune transformaator on mõõtetrafo primaarmähisega, mis on jadamisi ühendatud generaatori koormusega.

Pingetrafod

 Pikemalt artiklis Pingetrafo

Pingetrafo on transformaator, mis saab toidet vooluallikast. Tüüpiline rakendamine – kõrgepinge madalaks muundamine ahelates ja mõõteahelates.

Sobitustrafod

 Pikemalt artiklis Sobitustrafo

Sobitustrafo on transformaator, mille ülesanne on signaalide allika, ülekandeliinide ja vastuvõtjate lainetakistuste sobitamine.

Voolutrafod

 Pikemalt artiklis Voolutrafo

Voolutrafo on transformaator, mis saab toidet pingeallikast. Kasutatakse primaarvoolu vähendamiseks suuruseni, mis on kasutusel mõõte-, kaitse-, juhtimis- ja signalisatsiooniahelates.

Teised liigid

• Teimtrafod
• Sulatusahjude trafod

Eelmagneetimisvool

Eelmagneetimisvool on koguvoolu komponent, mis sõltub primaarmähise induktiivsusest, pingest ja sagedusest ja tekitab trafos muutuva magnetvälja. Kui trafol koormus puudub, on kogu sisenev vool üldiselt kahjulik eelmagneetimisvool. Selle voolu vähendamiseks tuleb suurendada induktiivsust kas keerdude arvu või südamiku ristlõike suurendamisega, mis tõstab trafo hinda ja massi ja ka mähiste takistust ning vastavalt kadusid.

Toitetrafode puhul on tegemist suuremate vooludega ja ka eelmagneetimisvool võib suurem olla. Sellisel juhul osutub määravaks südamiku materjalist sõltuv magnetiline küllastus. Küllastus avaldub induktiivsuse vähenemises ja tühijooksuvoolu järsus suurenemises kõrgemal pingel kui normaalne tööpinge. Toitetrafol, mis on ette nähtud töötama võrgusagedusel 50 Hz, tekib praktiliselt küllastus umbes siis, kui mähise keerdude arv ühe voldi kohta korrutatud südamiku ristlõikega ruutsentimeetrites on alla 60, tavalise pehme raudpleki puhul alla 45, keskmiste elektrotehniliste plekkide puhul ja parematest sulamitest plekkide puhul alla 28. Võimalik, et on juba leitud või leitakse veelgi paremaid magnetilisi materjale ja siis saab teha sama võimsusega kergemaid toitetrafosid.

Vaata ka

• Autotrafo
• Hüdrotrafo
• Kaitseväikepingetrafo
• Pingetrafo
• Voolutrafo

Välislingid

• Põhjalik ülevaade (Denveri ülikool; inglise keeles)
• Trafo pingete ja voolude graafikud (Java applet; inglise keeles)