Naprava in princip delovanja transformatorja

Za pretvorbo električne napetosti ene velikosti v električno napetost druge velikosti, to je za pretvorbo električne energije, uporabite električni transformatorji.

Transformator lahko pretvori samo izmenični tok v izmenični, zato se za pridobitev enosmernega toka izmenični tok iz transformatorja po potrebi popravi. V ta namen služijo usmerniki.

Tako ali drugače vsak transformator (pa naj bo to napetostni, tokovni ali impulzni) deluje zaradi pojava elektromagnetne indukcije, ki se v vsem svojem sijaju pokaže ravno pri izmeničnem ali impulznem toku.

Transformatorska naprava

V svoji najpreprostejši obliki je enofazni transformator sestavljen samo iz treh glavnih delov: feromagnetnega jedra (magnetno vezje), kot tudi primarna in sekundarna navitja. Načeloma ima lahko transformator več kot dve navitji, vendar najmanj dve. V nekaterih primerih lahko funkcijo sekundarnega navitja opravlja del ovojev primarnega navitja (glej sl. vrste transformatorjev), vendar so takšne rešitve precej redke v primerjavi z običajnimi.

Glavni del transformatorja je feromagnetno jedro. Ko transformator deluje, je spreminjajoče se magnetno polje znotraj feromagnetnega jedra. Vir spreminjajočega se magnetnega polja v transformatorju je izmenični tok primarnega navitja.

Napetost sekundarnega navitja transformatorja

Znano je, da vsak električni tok spremlja magnetno polje; v skladu s tem izmenični tok spremlja izmenično (s spreminjanjem velikosti in smeri) magnetno polje.

Tako z dovajanjem izmeničnega toka v primarno navitje transformatorja dobimo spreminjajoče se magnetno polje toka primarnega navitja. In tako je magnetno polje v glavnem koncentrirano v jedru transformatorja, to jedro je izdelano iz materiala z visoko magnetno prepustnostjo, tisočkrat večjo od prepustnosti zraka, tako da bo glavni del magnetnega pretoka primarnega navitja zaprto natančno znotraj jedra, ne skozi zrak.

Tako je izmenično magnetno polje primarnega navitja koncentrirano v volumnu jedra transformatorja, ki je izdelano iz transformatorskega jekla, ferita ali drugega primernega materiala, odvisno od frekvence delovanja in namena posameznega transformatorja.

Sekundarno navitje transformatorja se nahaja na skupnem jedru s primarnim navitjem. Zato izmenično magnetno polje primarnega navitja prodre tudi v zavoje sekundarnega navitja.

A pojav elektromagnetne indukcije preprosto leži v dejstvu, da časovno spremenljivo magnetno polje povzroči spreminjanje električnega polja v prostoru okoli sebe. In ker je v tem prostoru okoli spreminjajočega se magnetnega polja druga tuljava žice, inducirano izmenično električno polje deluje na nosilce naboja znotraj te žice.

To delovanje električnega polja povzroči EMF z vsakim obratom sekundarne tuljave. Posledično se med sponkami sekundarnega navitja pojavi izmenična električna napetost. Ko sekundarno navitje priključenega transformatorja ni obremenjeno, je transformator prazen.

Delovanje transformatorja pod obremenitvijo

Če je določeno breme priključeno na sekundarno navitje delujočega transformatorja, nastane tok skozi breme v celotnem sekundarnem krogu transformatorja.

Ta tok ustvarja lastno magnetno polje, ki ima po Lenzovem zakonu takšno smer, da nasprotuje »vzroku, ki ga povzroča«. To pomeni, da magnetno polje toka sekundarnega navitja v katerem koli trenutku teži k zmanjšanju naraščajočega magnetnega polja primarnega navitja ali teži k podpiranju magnetnega polja primarnega navitja, ko se zmanjša, vedno kaže na magnetno polje primarne tuljave.

Ko je sekundarno navitje transformatorja obremenjeno, se v primarnem navitju pojavi povratni EMF, zaradi česar primarni navitje transformatorja črpa več toka iz napajalnega omrežja.

Transformacijski faktor

Razmerje obratov primarnega N1 in sekundarnega N2 navitja transformatorja določa razmerje med njegovimi vhodnimi U1 in izhodnimi U2 napetostmi ter vhodnimi I1 in izhodnimi I2 tokovi, ko transformator deluje pod obremenitvijo. To razmerje se imenuje transformatorsko razmerje transformatorja:

Transformacijski faktor je večji od ena, če je transformator stopenjsko znižan, in manjši od ena, če je transformator povečan.

Napetostni transformator

Napetostni transformator je vrsta padajočega transformatorja, namenjenega galvanskemu ločevanju visokonapetostnih tokokrogov od nizkonapetostnih tokokrogov.

Običajno, ko gre za visoko napetost, pomenijo 6 kilovoltov ali več (na primarnem navitju napetostnega transformatorja), nizka napetost pa pomeni vrednosti reda 100 voltov (na sekundarnem navitju).

Tak transformator se praviloma uporablja za namene merjenja… Zmanjša na primer visoko napetost daljnovoda na primerno nizko napetost za merjenje, hkrati pa lahko galvansko loči merilna, zaščitna in krmilna vezja od visokonapetostnega vezja. Tovrstni transformatorji običajno delujejo v stanju mirovanja.

V bistvu lahko karkoli imenujemo napetostni transformator močnostni transformatoruporablja za pretvorbo električne energije.

Tokovni transformator

V tokovnem transformatorju je primarno navitje, ki je običajno sestavljeno samo iz enega obrata, zaporedno povezano z vezjem tokovnega vira. Ta zavoj je lahko del žice vezja, kjer je treba izmeriti tok.

Žica se preprosto napelje skozi okno transformatorskega jedra in postane ta en sam zavoj - zavoj primarnega navitja. Njegovo sekundarno navitje, ki ima veliko ovojev, je povezano z merilno napravo, ki ima nizek notranji upor.

Transformatorji te vrste se uporabljajo za merjenje vrednosti izmeničnega toka v napajalnih tokokrogih. Tukaj sta tok in napetost sekundarnega navitja sorazmerna z izmerjenim tokom primarnega navitja (tokovno vezje).

Tokovni transformatorji se pogosto uporabljajo v relejnih zaščitnih napravah za elektroenergetske sisteme, zato imajo visoko natančnost. Zaradi njih so meritve varne, saj galvansko zanesljivo ločijo merilni tokokrog od primarnega tokokroga (običajno visoke napetosti — desetine in stotine kilovoltov).

Impulzni transformator

Ta transformator je zasnovan za pretvorbo impulzne oblike toka (napetosti). Zaradi kratkih impulzov, običajno pravokotnih, ki se nanašajo na primarno navitje, transformator deluje praktično v prehodnih pogojih.

Takšni transformatorji se uporabljajo v impulznih napetostnih pretvornikih in drugih impulznih napravah, pa tudi v diferencialnih transformatorjih.

Uporaba impulznih transformatorjev omogoča zmanjšanje teže in stroškov naprav, v katerih se uporabljajo, preprosto zaradi povečane frekvence pretvorbe (desetine in stotine kilohercev) v primerjavi z omrežnimi transformatorji, ki delujejo pri frekvenci 50-60 Hz. Pravokotni impulzi, katerih čas vzpona je veliko krajši od samega trajanja impulza, se običajno transformirajo z nizkim popačenjem.