Трансформатор је електрични уређај који трансформише енергију из једног кола у друго посредством магнетне спреге, без икаквих покретних делова. Трансформатор се састоји од два (или више) спрегнута намотаја или једног намотаја са више извода и, у већини случајева, магнетног језгра које концентрише магнетни флукс. Наизменична струја у једном намотају ће индуковати струју у другим намотајима.

Трансформатори се користе да спуштају или дижу напон, да мењају импедансу и да обезбеде електричну изолацију између кола.

Увод

Трансформатор је један од најпростијих електричних уређаја. Његов основни дизајн, материјали и принципи су се мало променили у последњих сто година, али опет, дизајн трансформатора и материјали настављају да се унапређују.

Трансформатори су од виталног значаја за пренос енергије високим напоном који обезбеђује уштеду током преноса енергије на велике даљине. Једноставност и поузданост трансформатора и економичност трансформације напона у њему су основни чиниоци у избору преноса наизменичном струјом у Рату струја касних осамдесетих година 19. века.

Трансформатори аудио-учестаности су коришћени у најранијим експериментима у развоју телефона. Док су неке ране електронске примене трансформатора замењене алтернативним техникама, трансформатори се још увек налазе у многим електронским уређајима.

Трансформатори долазе у распону од малих трансформатора сакривених у микрофонима до џиновских трансформатора снаге гигавата који се користе за повежу велике делове националних мрежа, али сви раде на истим основним принципима и са великим сличностима у деловима.

Трансформатор не може да уради следеће: трансформише једносмерну струју у наизменичну и обрнуто промени напон и струју једносмерне струје промени учестаност наизменичне струје

Ипак, трансформатори су делови система који изводе све ове радње.

Основни принципи

Спрега преко међусобне индукције 350п|десно|мини|Принцип рада идеалног трансформатора Најпростији трансформатор се састоји из два намотаја - примара и секундара. Ако се временски променљив напон прикључи на примар од навојака, струја која тада тече кроз њега индукује магнетомоторну силу (ММС). Као што електромоторна сила (ЕМС) тера струју кроз електрично коло, тако и ММС тера магнетни флукс око магнетног кола. ММС на примару изазива променљив магнетни флукс у језгру (сива боја) и индукује ЕМС која је супротног смера у односу на . Према Фарадејевом закону електромагнетне индукције, индукован напон кроз примар је директно пропорционалан брзини промене флукса:

Слично, напон који је индуковао међусобни флукс кроз секундар је:

У идеалном случају, флукс на секундару је једнак ономе у примару и зато се могу изједначити и . Из овог следи:

Дакле, у идеалном трансформатору, однос примарног и секундарног напона је једнак односу броја навојака у намотајима, тј. напон по једном навојку је исти у оба намотаја. Однос струја у примару и секундару је обрнуто пропорционалан односу броја навојака. Ово води најчешћој употреби трансформатора: преображавању електричне енергије једног напона у електричну енергију другог напона употребом намотаја са различитим бројем навојака.

ЕМС у секундару, у случају да је прикључен на неко електрично коло, изазива ток струје у њему. ММС коју производи струја у секундару је у опозицији ММС примара и тежи да поништи флукс у језгру. Пошто смањени флукс смањује ЕМС индуковану у примару, у њему тече повећана струја. Резултат повећања ММС због струје у примару ће изједначити ефекат супротне секундарне ММС. На овај начин, електрична енергија доведена на примар преноси енергију на секундар.

На пример, ако је снага од 50 вата доведена на трансформатор чији је однос броја навојака 25:2. P = E·I (снага = ЕМС · јачина струје) 50 W = 2 V · 25 A у примару Када трансформатор промени: 50 W = 25 V · 2 A у секундару.

У пракси, високонапонски намотај има више навојака танке жице, а нисконапонски мало навојака дебеле жице.

Пошто једносмерни напон неће дати променљиви флукс у језгру, ни ЕМС неће бити створена и струја која тече кроз трансформатор ће бити бесконачно велика. У пракси, редна веза отпорности навојака ће ограничити јачину струје која може тећи, све док трансформатор не достигне термалну равнотежу или буде уништен.

Универзална једначина ЕМС

Ако је флукс у језгру синусоидалан, однос броја навојака, напона, магнетне индукције и површине попречног пресека проводника је дат универзалном једначином ЕМС:

где је квадратни корен средње вредности квадрата напона у намотајима, је учестаност у херцима ( је угаона учестаност у радијанима у секунди), је број навојака, је површина попречног пресека језгра, а је максимална вредност магнетне индукције у теслама. Вредност 4,44 је израчуната и садржи у себи вредности неколико константи.

Струја магнећења и флукс

У реалним трансформаторима, део примарне струје се користи да ствара флукс магнећења да би намагнетисала језгро. Заправо, овај је само резултујући флукс у језгру реалних трансформатора јер се примарни и секундарни флуксеви поништавају због струје оптерећења.

Проналазак десно|рам|Патент првог трансформатора Заслуге за проналазак трансформатора имају: Мајкл Фарадеј, који је измислио индукциони прстен 29. августа 1831. Ово је био први трансформатор, иако га је Фарадеј користио само да би показао принцип електромагнетне индукције и није предвидео другу намену за коју може да се евентуално искористи. Лусијен Галард и Џон Диксон Гибс, који су први приказали уређај назван секундарни генератор у Лондону 1881 и касније су продали идеју америчкој компанији Вестингхаус. Они су такође приказали проналазак у Торину 1884, где је искоришћен за електрично осветљење. Ови рани уређаји су користили отворено гвоздено језгро, које је касније напуштено заслугом ефикаснијег језгра са затвореним кружним магнетним путем. Вилијам Стенли, инжењер који је радио за Вестингхауса, који је развио први практичан уређај, након што је Џорџ Вестингхаус купио Галардове и Гибсове патенте. Језгро је било направљено од спојених гвоздених лимова у облику слова Е. Овај дизајн је први пут комерцијално употребљен 1886. године. Мађарски инжењери Ото Блати, Микша Ђери и Карољ Циперновски из компаније Ганц из Будимпеште 1885, који су створили ефикасан ЗБД модел заснован на дизајну Галарда и Гибса. Никола Тесла који је 1891, изумео Теслин калем, високонапонски резонантни трансформатор са ваздушним језгром за генерисање врло високих напона на високим учестаностима.

Практична разматрања

Класификације

Трансформатори су прилагођени бројним применама и могу се поделити на много начина: по снази (од делова вата до много мегавата) по намени (енергетски, за изједначавање импедансе, изолацију кола) по учестаности (енергетски, аудио, РФ) по напону (од неколико волти до 1000 киловолти) по начину хлађења (ваздушно, уљем, водом) по улози (усмерачки, за електричне пећи, за варење, у излазним појачавачима) по односу трансформације: дижући – секундар има више навојака од примара спуштајући – секундар има мање навојака од примара изолациони – намењени трансформацији у исти напон. Два намотаја имају приближно исти број навојака, иако су честе мале разлике у броју навојака да би се компензовали губици (у супротном би излазни напон био мало мањи од улазног напона). променљиви – примар и секундар имају променљив број навојака који може бити подешен без замене трансформатора.

Губици

Идеални трансформатор нема губитака и зато је степен искоришћења 100%. У пракси се енергија расипа због отпорности намотаја (познато као губици у бакру) и магнетних ефеката који се првенствено дешавају у језгру (познато као губици у гвожђу). Трансформатори обично имају врло висок степен искоришћења и већи трансформатори (од 50 -{MVA}- и више) имају степен искоришћења од 99,75%. Мали трансформатори који се користе у уређајима потрошачке електронике имају мање од 85% ефикасности.

Губици долазе од: отпорности намотаја – струја која тече кроз намотаје изазива загревање проводника по Џуловом закону. вртложних струја – индукована струја тече кроз језгро и изазива његово загревање расипања – нису сва магнетна поља која ствара примар ухваћена од стране секундара. Део расутог флукса може индуковати вртложне струје у оближњим проводним објектима као што је кућиште трансформатора и бива претворен у топлоту. Зујање које се чује у близини трансформатора је резултат расутих линија поља које изазивају да кућиште вибрира и такође је од вибрација магнетострикције у језгру. хистерезиса – сваки пут када магнетско поље промени смер, мала количина енергије је изгубљена због хистерезиса у магнетном језгру. Ниво хистерезиса зависи од материјала језгра. механичких губитака – наизменично магнетско поље изазива колебање електромагнетне силе између навојака, језгра и оближњих металних делова, изазивајући вибрације и буку које троше снагу магнетострикције – флукс у језгру изазива физичко ширење и скупљање незнатно од променљивог магнетног поља, ефекат познат под именом магнетострикција. Ово се претвара у губитке због загревања у осетљивим феромагнетним језгрима. система за хлађење – велики енергетски трансформатори могу бити опремљеним вентилаторима, пумпама за уље или воденим измењивачима топлоте дизајнираним да одстране топлоту изазвану губицима у бакру и гвожђу. Енергија потребна за рад система за хлађење се обично сматра као део губитака трансформатора.

Рад на високим учестаностима

Универзална једначина ЕМС показује да ће на вишим учестаностима магнетна индукција бити мања за исти дати напон. То наговештава да језгро може имати мањи попречни пресек и да зато може бити физички компактније, а да не достигне засићење. Из овог разлога произвођачи авиона и војска користе изворе од 400 херца. Они су мање забринути због ефикасности, која је мања на вишим учестаностима (највише због повећаних губитака услед хистерезиса), али су више заинтересовани да уштеде на тежини (гвозденог језгра).

Конструкција

Језгро

Челично језгро мини|десно|300п|Трансформатор са челичним језгром Трансформатори који се користе на индустријским и аудио учестаностима имају језгро начињено од много танких слојева динамо лимова. Због концентрисања флукса, ти слојеви су обмотани примаром и секундаром. Пошто је челично језгро проводно, оно такође има струје индуковане због променљивог магнетног флукса. Сваки слој је изолован од оближњег слоја да би се смањили губици због вртложних струја које загревају језгро. Уобичајено слојевито језгро је направљено од лимова у облику латиничних слова ”-{Е}-” и ”-{I}-”, што им је дало име ”-{EI}-” трансформатори.

Извесни типови трансформатора могу имати зазоре направљене у магнетним путањама да спрече засићење. Ови зазори могу бити коришћени да ограниче струју у кратком споју, као што је случај у трансформаторима за неонске светиљке.

Магнетни хистерезис челичног језгра значи да оно задржава статичко магнетско поље када се уклони напајање. Када се напајање поново прикључи, заостало поље ће изазвати велику струју све док се ефекат заосталог поља не смањи, обично након неколико циклуса прикључене наизменичне струје. Заштите од прегоревања уређаја као што су осигурачи морају бити одабрани да дозволе овој безопасној навали да прође. На трансформаторима прикљученим на дуге надземне водове, индукована струја због геомагнетних поремећаја током соларних олуја може изазвати засићење језгра и неправилно дејство заштитних уређаја трансформатора.

Масивно језгро

Језгра од гвозденог праха се користе у колима које раде изнад главних учестаности до неколико десетина килохерца. Ови материјали комбинују високу магнетну пермеабилност са високом електричном отпорношћу.

На још већим радио-учестаностима (РФ), други типови језгра су направљени од непроводних магнетних керамичких материјала званих ферити. Неки РФ трансформатори имају покретљива језгра који допуштају намештање коефицијента спреге (и ширину опсега) кола.

Ваздушна језгра