Nikola Tesla - „Ako ne znate kako, promatrajte pojave prirode,ona će vam dati jasne odgovore i inspiraciju”

Tehnologija


O transformatoru

Transformator je električni uređaj koji transformiše energiju iz jednog kola u drugo posredstvom magnetne sprege, bez ikakvih pokretnih delova. Transformator se sastoji od dva (ili više) spregnuta namotaja ili jednog namotaja sa više izvoda i, u većini slučajeva, magnetnog jezgra koje koncentriše magnetni fluks. Naizmenična struja u jednom namotaju će indukovati struju u drugim namotajima. Transformatori se koriste da spuštaju ili dižu napon, da menjaju impedansu i da obezbede električnu izolaciju između kola. Transformator je jedan od najprostijih električnih uređaja. Njegov osnovni dizajn, materijali i principi su se malo promenili u poslednjih sto godina, ali opet, dizajn transformatora i materijali nastavljaju da se unapređuju. Transformatori su od vitalnog značaja za prenos energije visokim naponom koji obezbeđuje uštedu tokom prenosa energije na velike daljine. Jednostavnost i pouzdanost transformatora i ekonomičnost transformacije napona u njemu su osnovni činioci u izboru prenosa naizmeničnom strujom u Ratu struja kasnih osamdesetih godina 19. veka. Transformatori audio-učestanosti su korišćeni u najranijim eksperimentima u razvoju telefona. Dok su neke rane elektronske primene transformatora zamenjene alternativnim tehnikama, transformatori se još uvek nalaze u mnogim elektronskim uređajima. Transformatori dolaze u rasponu od malih transformatora sakrivenih u mikrofonima do džinovskih transformatora snage gigavata koji se koriste za povežu velike delove nacionalnih mreža, ali svi rade na istim osnovnim principima i sa velikim sličnostima u delovima. Transformator ne može da uradi sledeće:

  • transformiše jednosmernu struju u naizmeničnu i obrnuto
  • promeni napon i struju jednosmerne struje
  • promeni učestanost naizmenične struje

Ipak, transformatori su delovi sistema koji izvode sve ove radnje.


Pronalazak

Zasluge za pronalazak transformatora imaju:

  • Majkl Faradej, koji je izmislio indukcioni prsten 29. avgusta 1831. Ovo je bio prvi transformator, iako ga je Faradej koristio samo da bi pokazao princip elektromagnetne indukcije i nije predvideo drugu namenu za koju može da se eventualno iskoristi.
  • Lusijen Galard i Džon Dikson Gibs, koji su prvi prikazali uređaj nazvan sekundarni generator u Londonu 1881 i kasnije su prodali ideju američkoj kompaniji Vestinghaus. Oni su takođe prikazali pronalazak u Torinu 1884, gde je iskorišćen za električno osvetljenje. Ovi rani uređaji su koristili otvoreno gvozdeno jezgro, koje je kasnije napušteno zaslugom efikasnijeg jezgra sa zatvorenim kružnim magnetnim putem.
  • Vilijam Stenli, inženjer koji je radio za Vestinghausa, koji je razvio prvi praktičan uređaj, nakon što je DŽordž Vestinghaus kupio Galardove i Gibsove patente. Jezgro je bilo napravljeno od spojenih gvozdenih limova u obliku slova E. Ovaj dizajn je prvi put komercijalno upotrebljen 1886. godine.
  • Nikola Tesla koji je 1891, izumeo Teslin kalem, visokonaponski rezonantni transformator sa vazdušnim jezgrom za generisanje vrlo visokih napona na visokim učestanostima.



Gubici

Idealni transformator nema gubitaka i zato je stepen iskorišćenja 100%. U praksi se energija rasipa zbog otpornosti namotaja (poznato kao gubici u bakru) i magnetnih efekata koji se prvenstveno dešavaju u jezgru (poznato kao gubici u gvožđu). Transformatori obično imaju vrlo visok stepen iskorišćenja i veći transfomatori (od 50 MVA i više) imaju stepen iskorišćenja od 99,75%. Mali transformatori koji se koriste u uređajima potrošačke elektronike imaju manje od 85% efikasnosti. Gubici dolaze od:

  • otpornosti namotaja - struja koja teče kroz namotaje izaziva zagrevanje provodnika po DŽulovom zakonu.
  • vrtložnih struja - indukovana struja teče kroz jezgro i izaziva njegovo zagrevanje
  • rasipanja - nisu sva magnetna polja koja stvara primar uhvaćena od strane sekundara. Deo rasutog fluksa može indukovati vrtložne struje u obližnjim provodnim objektima kao što je kućište transformatora i biva pretvoren u toplotu. Zujanje koje se čuje u blizini transformatora je rezultat rasutih linija polja koje izazivaju da kućište vibrira i takođe je od vibracija magnetorestrikcije u jezgru.
  • histerezisa - svaki put kada magnetno polje promeni smer, mala količina energije je izgubljena zbog histerezisa u magnetnom jezgru. Nivo histerezisa zavisi od materijala jezgra.
  • mehaničkih gubitaka - naizmenično magnetno polje izaziva kolebanje elektromagnetne sile između navojaka, jezgra i obližnjih metalnih delova, izazivajući vibracije i buku koje troše snagu
  • magnetorestrikcije - fluks u jezgru izaziva fizičko širenje i skupljanje neznatno od promenljivog magnetnog polja, efekat poznat pod imenom magnetorestrikcija. Ovo se pretvara u gubitke zbog zagrevanja u osetljivim feromagnetnim jezgrima.
  • sistema za hlađenje - veliki energetski transformatori mogu biti opremljenim ventilatorima, pumpama za ulje ili vodenim izmenjivačima toplote dizajniranim da odstrane toplotu izazvanu gubicima u bakru i gvožđu. Energija potrebna za rad sistema za hlađenje se obično smatra kao deo gubitaka transformatora.



Čelično jezgro (limovi)

Transformator sa čeličnim jezgrom

Transformatori koji se koriste na industrijskim i audio učestanostima imaju jezgro načinjeno od mnogo tankih slojeva dinamo limova. Zbog koncentrisanja fluksa, ti slojevi su obmotani primarom i sekundarom. Pošto je čelično jezgro provodno, ono takođe ima struje indukovane zbog promenljivog magnetnog fluksa. Svaki sloj je izolovan od obližnjeg sloja da bi se smanjili gubici zbog vrtložnih struja koje zagrevaju jezgro. Uobičajeno slojevito jezgro je napravljeno od limova u obliku latiničnih slova "E" i "I", što im je dalo ime "EI" transformatori.

Izvesni tipovi transformtora mogu imati zazore napravljene u magnetnim putanjama da spreče zasićenje. Ovi zazori mogu biti korišćeni da ograniče struju u kratkom spoju, kao što je slučaj u transformatorima za neonske svetiljke.

Magnetni histerezis čeličnog jezgra znači da ono zadržava statičko magnetno polje kada se ukloni napajanje. Kada se napajanje ponovo priključi, zaostalo polje će izazvati veliku struju sve dok se efekat zaostalog polja ne smanji, obično nakon nekoliko ciklusa priključene naizmenične struje. Zaštite od pregorevanja uređaja kao što su osigurači moraju biti odabrani da dozvole ovoj bezopasnoj navali da prođe. Na transformatorima priključenim na duge nadzemne vodove, indukovana struja zbog geomagnetnih poremećaja tokom solarnih oluja može izazvati zasićenje jezgra i nepravilno dejstvo zaštitnih uređaja transformatora.


Namotaji

U većini realnih transformatora, primar i sekundar su kalemi sa više navojaka provodne žice jer svaki navojak doprinosi magnetnom polju, stvarajući veću magnetnu indukciju nego što bi samo jedan navojak uradio. Žice susednih navojaka i raličitih namotaja moraju biti izolovane jedne od drugih.

Provodni materijal korišćen za namotaje zavisi od namene. Transformatori malih snaga i signalni transformatori su namotani od žice punog preseka, izolovanim emajlom ili ponekad dodatnom izolacijom. Veliki energetski transformatori mogu imati namotaje od bakra ili aluminijuma pravougaonog preseka ili užastog preseka za vrlo velike struje. Transformatori na visokim učestanostima koji rade na učestanostima od stotina kiloherca imaju namotaje od licnovane žice, da smanje gubitke u provodniku zbog skin (površinskog) efekta. Veliki energetski transformatori takođe koriste použene provodnike, pošto čak i na malim učestanostima nejednaka raspodela struje će postojati u niskonaponskom namotaju (velika struja). Svako uže je izolovano od ostalih, a užad su tako postavljena da na izvesnim tačkama u namotaju ili kroz namotaj, svaki deo ima drugačiji relativni položaj u celom provodniku. Ovo premeštanje izjednačava struju koja teče u svakom užetu provodnika i smanjuje gubitke usled vrtložnih struja u samom namotaju. Použeni provodnik je takođe više savitljiv od čvrstog provodnika slične veličine.

Za signalne transformatore, namotaji mogu biti napravljeni tako da minimizuju ispuštenu induktivnost i zalutalu kapacitivnost čime se popravlja odziv na visokim učestanostima.

Namotaji primara i sekundara energetskih transformatora mogu imati spoljašnje priključke koji omogućavaju podešavanje odnosa napona.

Izolacija

Navoji moraju biti izolovani jedni od drugih da osiguraju da struja teče kroz ceo namotaj; kratki spojevi uklanjaju nekoliko navojaka iz kola, ozbiljno remeteći rad transformatora i pregrevajući ga. Razlika potencijala između susednih namojaka je obično mala, tako da je zaštita emejlom obično dovoljna za transformatore malih snaga.

U energetskim transformatorima, razlika potencijala između namotaja može biti vrlo velika. Izolacija mora biti između različitih namotaja i između navojaka da bi se sprečilo varničenje.


Kućište

Iako je idealan transformator čisto induktivni uređaj, tokom rada blizina primara i sekundara može da izazove međusobnu kapacitivnost između namotaja. Tamo gde je predviđena velika električna izolacija između primara i sekundara, elektrostatički štit se stavlja između namotaja da smanji ovaj efekat.

Transformatori takođe mogu biti oklopljeni magnetnim štitovima, elektrostatičkim štitovima ili oboje da spreče spoljašnju inteferenciju da utiče na rad transformatora ili da spreči da transformator utiče na rad drugih uređaja (kao što su katodne cevi)


Hlađenje

Mali signalni transformatori ne stvaraju značajne količine toplote. Energetski transformatori na snagama od nekoliko kilovata rasipaju dovoljno toplote da budu osetno topli, ali se drže na dozvoljenoj temperaturnoj granici prirodnim strujanjem vazduha. Transformatori koji rade na velikim snagama mogu se hladiti ventilatorima.

Specijalni uslovi se moraju ispuniti za hlađenje transformatora velikih snaga. Neki suvi transformatori su oklopljeni i imaju rezervoare pod pritiskom i hlade se azotom ili sumpor heksafluoridom (SF6).


Vakuum impregnacija

Impregnacija pretstavlja najčešće upotrebljavani postupak ispunjavanja pora i šupljina u izolacionim sistemima električnih i rotacionih strojeva. Brojne razlike u sastavu i svojstvima impregnanata, vrsti i karakteru izolacionih sistema, kao i u specifičnostima opreme dovele su do celog niza tehnoloških postupaka impregnacije, koji se međusobno razlikuju u koncepcijama i u mnogim tehnološkim pojedinostima. Svi ovi postupci, međutim, zasnivaju se na određenim osnovnim principima

Primena vakuuma, naznačena kao sretstvo za odstranjivanje vazduha, ima u ovoj fazi postupka impregnacije u stvari dvojaku ulogu. Primenom vakuuma moguće je brže i potpunije odstraniti vlagu iz izolacionog sistema. Pri tome temperature predsušenja mogu biti niže od onih koje se primenjuju kod predsušenja uz normalni atmosferski pritisak.

Kontakt

  • Adresa

    Glavna 85 24300 Bačka Topola Srbija
  • Tel

    +381 24 712 910
    +381 24 715 933
  • Fax

    +381 24 715 805
  • Email

    info@elmatt.rs