Трансформатор

Трансформатор — електричен уред што ја пренесува електричната енергија со променливо поле од едно во друго коло, без никакви подвижни делови. Трансформаторот се состои од две (или повеќе) намотки или една намотка со повеќе изводи. Трансформаторите се користат да го зголемуваат или намалуваат напонот, да го менуваат отпорот, или да обезбедат електрична изолација помеѓу колата.

Маслен трансформатор „ЕМО Охрид“ од 160 kVA со конзерватор

Трансформаторот е еден од наједноставните електрични уреди. Неговиот основен дизајн, материјалите и принципите малку се промениле во последните 100 години, но сепак дизајнот и материјалот на трансформаторот продолжуваат да се унапредуваат. Трансформаторите се значајни за пренесување на електрична енергија со висок напон кој обезбедува заштеда во текот на преносот на поголема далечина.

Најпростите трансформатори се составени од две намотки- примар и секундар. Наизменичната струја која тече низ намотките на примарот создава магнетен тек кој, преку јадрото, предизвикува индукција во намотките на секундарот.

Главната примена на трансформаторите е за снабдување на енергија од електричните централи, преку преносната мрежа, до крајните потрошувачи. При овој пренос, енергијата претрпува неколку трансформации во т.н. трафостаници.

Начела

Идеални трансформаторски равенки Според Фарадеевиот закон за индукција: ${\displaystyle U_{\text{S}}=-N_{\text{S}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}}$ . . . (1)^{[б 1]}

${\displaystyle U_{\text{P}}=-N_{\text{P}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}}$ . . . (2)

Каде ${\displaystyle U}$ е моменталниот напон, ${\displaystyle N}$ е бројот на намотки на калемот, dΦ/dt е изводот од магнетниот тек Φ низ една намотка низ калемот за време (t), додека пак показателите _P и _S се ознаки за примар и секундар.

Комбинирајќи го односот од равенките 1 и 2:

Односот на намотки ${\displaystyle ={\frac {U_{\text{P}}}{U_{\text{S}}}}={\frac {-N_{\text{P}}}{-N_{\text{S}}}}=a}$ . . . (3)

(Забелешка: Намалувачките трансформатори имаат a>1, додека пак зголемувачките трансформатори имаат a<1.)

Според законот за запазување на енергијата, активната, вкупната и реактивната моќ се запазени при влезот и излезот од калемите

${\displaystyle S=I_{\text{P}}U_{\text{P}}=I_{\text{S}}U_{\text{S}}}$ . . . (4)

Каде ${\displaystyle S}$ е запазената моќност и ${\displaystyle I}$ и струјата.

Поврзувајќи ги равенките 3 и 4^{[б 2][1]} се добива идеалниот трансформаторски идентитет

${\displaystyle {\frac {U_{\text{P}}}{U_{\text{S}}}}={\frac {I_{\text{S}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}={\sqrt {\frac {L_{\text{P}}}{L_{\text{S}}}}}=a}$ . (5)

Каде ${\displaystyle L}$ е индуктивитетот.

Според Омовиот закон и идеалниот трансформторски идентитет

${\displaystyle Z_{\text{L}}={\frac {U_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}}$ . . . (6

${\displaystyle Z'_{\text{L}}={\frac {U_{\text{P}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {aU_{\text{S}}}{I_{\text{S}}/a}}=a^{2}{\frac {U_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}=a^{2}{Z_{\text{L}}}}$ . (7)

Каде ${\displaystyle Z_{\text{L}}}$ е секундарната импеданција.

${\displaystyle Z'_{\text{L}}}$ е активната импеданција на напонот.

Идеален трансформатор

Идеален трансформатор е теоретски, линиски трансформатор кој нема загуби и е совршено индуктивно споен.^[2] Совршеното спојување наведува дека имаме бесконечно висока магнетна пробивност во јадрото и индукции во намотките и збир на магнетомоторната сила еднаков на 0.^{[3][б 3]}

Идеален трансформатор поврзан со извор U_P на примарот и импеданција Z_L на секундарот, каде 0 < Z_L < ∞.

Идеален трансформатор и законот за индукција^{[б 4]}

Променливата струја во примарот создава променлив магнетен тек во јадрото на трансформаторот и променливо магнетно поле во внатрешноста на секундарот. Ова променливо магнетно поле на секундарот индуцира променлива ЕМС или напон во секундарот како резултат на електромагнетната индукција. Примарот и секундарот се намотани околу јадрото ао бесконечно силна магнетна пермиабилност^{[б 5]}за да сите магнетни текови поминуваат низ двете примарна и секундарна намотка.Со извор на струја поврзан на примарот и импеданција поврзана со секундарот, струите од трансформаторот течат во посочените насоки. (Погледајте Поларност.)

Според Фарадеевиот закон, кога магнетниот тек поминува низ примарот и секундарот во идеален транформатор ^[5] напунот што се создава во секоја од намотките е пропорционален со бројот на навивките на намотките. Во секундарот напонот е одреден според Фарадеевата равенка 1 (Погледајте ја кутијата десно). Во примарот напонот е одреден според равенката  2.^[6]. Примарната ЕМС понекогаш се нарекува повратна ЕМС.^{[7][8][б 6]} Ова е во согласност со Ленцовиот закон, кој гласи дека индукцијата од ЕМС секогаш се спротивставува на создавањето на каква било промена во магнетното поле.

Односот меѓу напоните на намотките е правопропорционален на односот на навивките на намотката според 3-та равенка.^{[9][10][б 7]} Но, некои извори ја користат реципрочната вредност.^{[11][б 8]}

Според законот за запазување на енергијата, каква било импеданција поврзана на секундарот на идеалниот трансформатор ќе доведе до запазување на активната, реактивната и вкупната моќност која е во согласност со 4-та равенка.

Идентитетот за идеалниот трансформатор прикажан во равенката 5 е разумна претпоставка за вообичаениот комерцијален трансформатор, при што односот на напонот и односот на намотките е обратнопропорционален на соодветниот однос на струите.

Според Омовиот закон и иденитетот за идеалниот трансформатор:

• импеданцијата во секундарот може да се изрази со равенката 6
• импеданцијата во примарот е изведена во равенката 7 и е еднаква на производот на квадратот на намотките со импеданцијата на секундарот.^[12][13]

Реален трансформатор

Протекување на текот низ трансформаторот

Разлики од идеалниот трансформатор

Моделот за идеалниот трансформатор го занемарува следниве основни гледишта за вистинските трансформатори:

(а)Јадрени загуби, колективно наречени загуба на магнетизирана јачина на струја, се состојат од^[14]:

• Хистерезиски загуби поради нелинеарен доток на напон во јадрото на трансформаторот;
• Вртложни загуби на јачината на струјата поради загревање во јадрото кои се пропорционални на квадратот на вложениот напон.

(б) За разлика од идеалниот модел, намотките на реалниот трансформатор имаат отпор и индуктивност поврзани со:

• Џулови загуби поради отпорот во примарот и секундарот^[14]
• Текот кој протекува од јадрото и поминува низ една намотка доведува само до појава на примарна и секундарна реактивна импеданција.

Приказ на паразитскиот капацитет.

(в)слично на индуктор, паразитскиот капацитет и саморезонансната појава се должат на распределбата на електричното поле. Најчесто предвид се земаат три видови на паразитски капацитет и ги имаме следниве равенки за затворените јамки^[15]

• капацитет меѓу соседните навивки во било кој слој;
• капацитетот меѓу соседните слоеви;
• капацитет меѓу јадрото и соседниот слој до јадрото.

Моделот на трансформаторот со капацитетот е доста сложен и ретко се користи; дури и еквивалентното коло на ‘вистинскиот’ трансформатор не го вклучува паразитскиот капацитет. Но, капацитетот може да се измери со споредување на индукцијата на отвореното коло и индукцијата на краткиот спој.

Протекувачки тек

Моделот на идеалниот трансформатор докажува дека целиот тек создаден од примарот ги поврзува ги поврзува сите навивки од секоја намотка, вклучувајќи го и примарот. Во практиката, дел од текот опфаќа делови надвор од намотките^[16]. Оваквиот тек е наречен „истечен тек“ и доведува до [[протекување на индукцијата во сериски со заедничките намотки на трансформаторот .^[8] Протечениот флуџ доведува енергијата да биде алтернативно зачувана и да се испразни од магнетните полиња со секој круг на струјата. Не е директна загуба на сила, но доведува до инфериорна регулација на напонот, предизвикувајќи секундарниот напон да не биде правопропорционален на примарниот напон, особено под голем товар.^[16] Па така трасформаторите најчесто се дизајнирани да имаат многу мал проток на индукција.

Во некои случаи кога намерно во осмислата да на трансформаторот постои потреба за ограничување на дотокот на струја од краткиот спој поволно е да се има зголемен проток , долги магнетни патеки, искришта, или магнетни премостувања.^[8] Протечните трансформатори може да се користат за оптоварување за кое својствен е негативен отпор, како што се електрични лакови, живини и натриумски ламби и неонски реклами или за безбедно справување со оптаварувања кои периодично постануваат кратки споеви, како на пример електролачното заварување.^[17]

Искриштата исто така ќе се користат кај трансформаторите за спречување на заситувањето, особено кај аудиочестотните трансформатори во кола кои имаат еднонасочно струен елемент кој се протега низ намотките ^[18] . Заситувачкиот реактор го искористува заситувањето од јадрото за да се управува променливата струја.

Доколку постои протекување на индуктивноста може да се искористи и кај трансформаторите кои се сврзани паралелно. Може да се покаже дека доколку процентуалната импеданција ^{[б 9]} и придружниот протекувачки однос од реактансата и отпорот во намотките (X/R) за два трансформатори кои хипотетички се подеднакво исти. Овие трансформатори ќе ја споделуваат моќноста пропорционално на нивните соодветни волт-амперски каратеристики(пр. 500 kVA паралелно сврзан со 1.000 kVA, па така поголемиот трансфорамтор ќе може да издржи двојно поголема струја). Но, толеранцијата на имеданцијата на комерцијалните трансформатори е значителна. исто така, Z импеданцијата и односот X/R на трансформатори со различен променлив капацитет, па така за 1.000 kVA и 500 kVA вредностите се Z ≈ 5.75%, X/R ≈ 3.75 и Z ≈ 5%, X/R ≈ 4.75.^[20]

Еквивалентно коло

Поврзано: Штаинметцово еквивалентно коло

Разгледувајќи ја шемата, физикото однесување на практичниот трансформатор може да се прикаже со модел на еквивалентно коло, кое може да вклучува идеален трансформатор.^[21]

Џуловите загуби и протекувачките реактанции во намотките се претставени со следните серирски сврзани јамчести импеданции на моделот:

• Примар : R_P, X_P
• секундар: R_S, X_S.

Во нормалниот тек на претворањето на еквивалентното коло, R_S иX_S во практиката е обично наречено приамарна страна со множење на овие импеданции според квадратот од односот бројот на навивките.(N_P/N_S) ² = a².

Еквивалентно коло на реален трансформатор

Загуба во јадрото и реактанцата е претставена со следниве премостувани имеданци на моделот:

• Јадрени загуби: R_C
• Магнетизирачка реактанса : X_M.

R_C и X_M збирно се наречени магнетизирачка гранка на моделот.

Јадрените загуби се предизвикани најчесто од хистерзисот и ефектите на вртложните струи во јадрото се пропорционални на квадратот на јадрениот тек при определена честота.^[22] Конечната пермеабилност на јадрото побарува магнетизирачка струја I_M за да се одржи заедничкиот тек во јадрото. Магнетизирачката струја е во фаза со текот, односот помеѓу двете се нелинеарни поради заситувачките ефекти. Но, сите импеданци од прикажаното еквивалентното коло по дефиниција се линеарни и нелинеарни ефекти не се типично рефлектираниво еквивалентните кола на трансформаторот.^[22]. Со синусоиден извор, јадрениот тек поместен од ЕМС за агол од 90°. Секундарот е отворено коло , при што струјата на магнетизирачката гранка I₀ е еднаква на трансформаторската неоптоварена струја.^[21]

Инструментален трансформатор,со поларизаторска точка и Х1 ознаки на страничниот терминал LV

Добиениот модел, иако понекогаш именуван како „точнo“ еквиваленто коло засновано на линиски претпоставки, се задржуваат бројни приближности .^[21] Анализата се поедноставува со препоставување дека импеданцата на магнетизирачките гранки е релативно висока и ја релоцира гранката на лево од примарната импеданца. Ова воведува грешка но дозволува комбинација на примарни и секундарни отпори и реактанти од просто собирање на две сериски импеданци.

Импеданцијата на еквивалентното коло и односот на параметрите на трансформаторот можа да бидат изведеде од следните тестови: пасивен мод, ^{[б 10]} мод на краток спој,мод на отпор на намотки, и мод на однос на трансформатор.

Равенка на ЕМС на трансформатор

Ако текот во јадрото е само синусоиден, односот помеѓу било која намотка и нејзиниот квадратно средичен напон E_rms на намотката , и честотата на изворот f, бројот на намотки N, површината на пресекот на јадрото a во m² и максималната густина на магнетниот тек B_max во Wb/m² или T (тесли) е дадена со сеопштата равенка за ЕМС:^[14][24]

${\displaystyle E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNaB_{\text{max}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNaB_{\text{max}}}$

Ако текот не содржи аликвотни тонови следните равенки може да се искористат за полуцикличниот просечен напон E_avg од кој било бранов облик:

${\displaystyle E_{\text{avg}}=4fNaB_{\text{max}}\!}$

Основни трансформаторски параметри и изведба

Поларност

Точкестата конвенција честопати се користи за шеми на трансформатори, плочи или крајни ознаки за да ја дефинира релативната поларност на намотките на трансформаторот. Моменталното зголемување на јачината на струјата која влегува во крајот на „точката“ на примарот индуцира позитивен поларен напон кој излегува од крајот на „точката“ на секундарот.

^{[25][26][27][б 11][б 12][б 13]}

Трофазни трансформатори користени во системи за електрична струја имаат плоча со име која укажува на фазните односи меѓу нивните терминал. Ова може да биде во облик на шема на комплексна амплитуда или користејќи азбучнобројчен код да се покаже типот на внатрешна вреска за секоја намотка.

Честотен ефект

Електромоторната сила на трансформатор со одреден тек се зголемува со честотата.^[14] При работење на високи честоти, трансформаторите можат да бидат физички покомпактни бидејќи јадрото може да префрли повеќе сила без да постигне заситување и потребни се помалку навивки за да се постигне истата импеданса. Но, својствата како јадрена загуба и спроведувачки скин ефект исто така се зголемува со честотата. Воената опрема применува 400 Hz извори на енергија кои ги намалуваат тежините на јадрото и намотката.^[31] Спротивно, честотите користени за системи на железничка електрификација биле многу пониски (пр. 16.7 Hz и 25 Hz) отколку нормалните употребувани честоти (50–60 Hz) за историски причини поврзаниглавно со границите на раните влечни мотори .

Power transformer over-excitation condition caused by decreased frequency; flux (green), iron core's magnetic characteristics (red) and magnetizing current (blue).

Управувањето на трансформатор на својот дизајниран напон но поголема честота отколку што е наменет ќе доведе до намалена магнетизирачка струја. На пониска честота магнетизирачката струја ќе се зголеми. Управување на голем трансформатор на различна честота од дизајнираната ќе бара оценување на напони, загуби и ладење за да воспостави дали безбедната работа е практична. На пример, на трансформаторите може да им е потребно да имаат вградено „ волти на херц“ над исцрпеност, релеи за да го заштитат трансформаторот од преголем напон при високи честоти.

Изведба

Јадро

Трансформатори со затворени јадра се конструирани во „јадрен облик“ или „оклопен облик“. Кога намотките го обиколуваат јадрото, трансформаторот е во јадрен облик; кога намотките се обиколени од јадрото, трансформаторот е во „оклопен облик“.^[32][33][34] Оклопниот облик може да биде попреовладувачки отколку јадрениот облик за дистрибуција на распределбени трансформаторски примени бидејќи е полесно да се мести јадрото околу намотките.^[32] Дизајнот на јадрениот облик има тенденција да биде поекономично па така попреовладувачко отколку дизајнот на оклопниот облик за високо напонски трансформаторски примени на долниот крај од нивниот напон додека пак моќноста се движи помалку или еднакво , номинално, 230 kV или 75 MVA) На повисок напон и моќност , трансформаторите со оклопен облик имаат тенденција да бида попреовладувачки .^{[32][35][36][37]} Дизајнот на оклопниот дизајн е претпочитан за многу високнапон и високи MVA намени бидејќи, иакотреба повеќе интензивен напор за да се произведе , трансформатори со оклопен облик се карактеристични за тоа што имаа подобар однос на kVA спрема тежина, подобри одлики на јачина на краток спој и поголема отпорност на оштетување на премини.^[37]

Намотки

Намотките се обично концентрично распоредени за да се минимизира губењето на текот.

Пресек на намотките на трансформатор.

Трансформаторите со висока честота кои работат со десетици до стотици килохерци, често имаат намотки направени од испреплетена лицнеста жица за да се намалат загубите од површинскиот и ефектот на близина.^[38] Големите енергетски трансформатори исто така користат повеќенаменски проводници, зашто инаку неуниформниот пренос на струја би постоел во намотки со висока струја дури и на честоти со ниска моќност.^[39] Секое влакно е поединечно изолирано, а тие се распоредени така што во одредени точки во намотката или низ целата намотка, секој дел зазема различни релативни позиции во целиот проводник. Преносот се изедначува со струјата која протекува во секое влакно од проводникот и ги намалува загубите на струја во самата намотка. Овој проводник е исто така пофлексибилен од цврст проводник со иста величина, помагајќи во производството.^[39]

За да се подобри високочестотниот одѕив, намотките на сигналните трансформатори го намалуваат истекувањето на индукцијата и залутаниот капацитет. Калемите се поделени на делови, а тие делови се испреплетуваат со деловите на другата намотка.

Трансформаторите со честота на моќност за подесување на напонот можат да имаат „славини“ на средните точки на намотката, обично на страната со поголема волтажа. Славините можат рачно да се поврзат или пак да се обезбеди рачен или автоматски прекинувач за смена на славините. Автоматски уреди за полнење наизменична струја се користат во преносот или дистрибуцијата на електрична енергија, за опрема како што се трансформери на електролачни печки или за автоматски регулатори на напонот за чувствителни товари. Аудиочестотните трансформатори, кои се користат за пренос на аудио кај мегафоните, имаат славини кои дозволуваат подесување на импедансата на секој звучник. Трансформер со централна славина често се користи во излезната фаза од засилувачот на аудио моќноста во потисни кола. Модулационите трансформатори во АМ предавателите се многу слични.

Системите за изолација на сувиот тип трансформери со намотки можат да бидат или стандардни конструкции на „дип-енд-бејк“ со отворен калем или дизајни со повисок квалитет кои вклучуваат импрегнација на вакуумски притисок (ВПИ), вакуумско инкапсулирање на притисокот (ВПЕ) и процеси на инкапсулација на калемот.^[40] Во ВПИ процесот, се користи комбинација на топлина, вакуум и притисок за темелно запечатување, врзување и елиминирање на вовлечените воздушни празнини во слојот премачкан со смола за изолација на слоевите од полиестер, на тој начин зголемувајќи го отпорот кон короната. ВПЕ намотките се слични на ВПИ намотките, но обезбедуваат поголема заштита од влијанијата на животната средина, како што се вода, нечистотија или корозија, користејќи повеќекратни премачкувања, вклучувајќи го завршниот епоксиден слој.^[41]

Што се однесува на фотографијата погоре на која се прикажани пресеците на намотките на трансформатор: Спроводниот материјал кој се користи за намотките зависи од употребата, но во сите случаи поединечните вртежи мораат да бидат електрично изолирани еден од друг за да се осигура дека струјата минува низ секој од нив.^[42] За сигналните и трансформаторите со мала моќност, каде што струите се ниски и потенцијалната разлика помеѓу соседните вртежи е мала, калемите се често намотани со емајлирана магнетна жица, како што е Форвар жицата. Трансформаторите со поголема моќност кои работат на високи напони, можат да бидат намотани со спроводници со правоаголни ленти од бакарна изолација, изолирани со хартија потопена во нафта и со блокови даски.^[39]

Легенда

Бела: воздух, течност или друг изолатор во комбинација со лак, хартија или друга изолација на калем.

Зелена спирала: зрнест силициумски челик.

Црна: Примарна намотка (алуминиум или бакар).

Црвена: Секундарна намотка (алуминиум или бакар).

Ладење

Пресек на трансформатор потопен во течност. Резервоарот на врвот обезбедува изолација на течноста до атмосфера како ниво на ладење на течноста и температурни промени. Ѕидовите и перките ја обезбедуваат потребната рамнотежа на топлинска енергија.

Правило е очекуваниот животен век на електричната изолација да е преполовен за секое зголемување од 7 °C до 10 °C во работната температура (на пример примената на Арениусова равенка).^{[43][44][45][б 14]}

Малите трансформатори од сув тип и трансформаторите потопени во течност често се самооладуваат од природна конвенција и зрачна топлотна дисипација.^[46][47] Како што се зголемуваат нивоата на моќност, трансформаторите често се ладат со воздушно ладење, присилено маслено ладење, ладење со вода или комбинација на овие.^[48] Големите трансформатори се наполнети со трансформаторно масло што истовремено ги лади и изолира намотките.^[49] Трансформаторното масло е високо рафинирано минерално масло што ги лади намотките и изолацијата циркулирајќи во трансформаторскиот резервоар. Минералното масло и хартиениот изолационен систем темелно се истражени и користени повеќе од 100 години. Приближно 50% од енергетските трансформатори ќе преживеат 50 години користење, а просечната старост на неуспешните енергетски трансформатори е од 10 до 15 години. Околу 30% од неуспехот на енергетските трансформатори е поради изолација и преоптеретување.^[50][51] Продолжената работа на повишена температура ги намалува изолационите својства на изолацијата на намотките и диелектричното разладувачко средство, што не само што го намалува животот на трансформаторот, но исто така може да води до негово катастрофално откажување.^[43] Со голем број на емпириски истражувања како водичи, тестирањето на трансформаторското масло, вклучувајќи ја анализата на разреден гас, обезбедува важни информации за одржувањето. Ова ја истакнува потребата за следење, моделирање, предвидување и управување со условите на температурна изолација на маслото под различни, евентуално тешки услови на преоптеретување.^[52][53]

Регулациите кај градењето во многу јурисдикции бараат трансформаторите наполнети со течност во затворен простор да користат или диелектрични течности што се помалку запалливи од маслото или да бидат вградени во огноотпорни простории.^[54] Сувите трансформери со воздушно сушење, можат да бидат поекономични, таму каде што ја намалуваат цената на огноотпорна трансформаторска просторија.

Резервоарот на трансформаторите исполнети со течнот, често имаат радијатори со помош на кои циркулира разладувачката течност со природна конвекција или перки. Некои големи трансформатори имаат електрични фенови за воздушно присилено ладење, пумпи за присилено ладење со течност или имаат разменувачи на топлина за ладење со вода.^[49] Трансформаторите потопени во масло можат да бидат опремени со Бухолцовиот релеј, кој, зависно од јачината на акумулацијата на гасот поради внатрешно искривување, се користи за да го алармира или деенергизира трансформаторот.^[55] Изолациите на трансформаторите потопени во масло обично вклучуваат мерки за заштита од оган, како што се ѕидови, задржување на масло и противпожарни апарати.

Полихлоронираните бифенили имаат својства кои во минатото ја фаворизирале нивната употреба како диелектрично разладувачко средство, но грижите за нивната одржливост во околината довеле до широка забрана за нивна употреба.^[56] Денес, нетоксични, стабилни и масла засновани на силициум или флуоројаглероводороди можат да се користат кога трошоците за огноотпорна течност ги надминува трошоците за градење на трансформаторски свод.^[54][57] ПЦБ-овите за нова опрема биле забранети во 1981 и во 2000 за употреба во постоечката опрема во Велика Британија.^[58] Законите донесени во Канада помеѓу 1977 и 1985 во суштина ја забранува употребата на ПЦБ во произведените или увезените трансформатори по 1980 година.^[59]

Некои трансформатори, наместо да се исполнети со течност, нивните намотки се затворени во запечатени резервоари под притисок и се ладени со гас на азот или сулфур хексафлуорид.^[57]

Експерименталните енергетски трансформатори во опсегот од 500 до 1.000 kVA се изградени од намотки со течни азотни или хелиумови суперспроводнички намотки, што ја намалува загубата на намотки, без да влијае врз загубите на јадрото.^[60][61]

Сушење на изолацијата

Правењето трансформатори засновани на нафта бара изолацијата која ги покрива намотките темелно да се исуши преостанатата влага од додавањето нафта. Сушењето се одвива во фабрика, а може да се бара и како теренски сервис. Сушењето може да се врши со циркулација на топол воздух околу јадрото, со циркулација на надворешно загреано трансформаторско јадро или со сушење со пареа (ВПД), каде испарен растворувач ја пренесува топлината со кондензација на калемот и јадрото. Кај ВПД процесите најчесто се користи керозинот како течност за размена на топлината. Покрај намалувањето на влагата во изолацијата, керозинот дејствува како средство за чистење кое ја чисти прашината и нечистотијата од изолационите површини. Споредено со конвенционалниот процес на сушење со топол воздух, сушењето со пареа го намалува времето на сушење од 40% до 50%.^[62][63]

За малите трансформатори се користи отпорно загревање со инјектирање на струја во намотките. Загревањето може многу добро да се да се контролира и е енергетски ефикасно. Методот е наречен нискочестотно загревање (ЛФХ), зашто струјата што се користи е на многу помала честота од онаа на електричната мрежа, која обично е 50 или 60 Hz. Помалата честота го намалува ефектот на индукција, па потребниот напон може да биде намален.^[64] ЛФХ методот на сушење е исто така корисен за сервис или поправка на постари трансформатори.^[65]

Чашки

Поголемите трансформатори имаат високонапонски изолациони чашки направени од полимери или порцелан. Една голема чашка може да биде комплексна структура, бидејќи мора да обесбеди внимателна контрола на градиентот на електричното поле без да му дозволи на трансформаторот да пропушти масло.^[66]

Видови трансформатори

Според намената постојат мноштво од најразлични видови трансформатори, од кои најважни се следниве:

• Енергетски трансформатори за пренос и распределба (дистрибуција) на електрична енергија во еден ЕЕС при различни напони и струи. Во зависност од намената и местото на приклучување во ЕЕС, може да бидат: блок–трансформатори, трансформатори за пренос со напон над 500 kV и дистрибутивни трансформатори;
• Автотрансформатори за прилагодување на напонот во релативно мали граници, при поврзување на ЕЕС со различни напонски нивоа, за континуална регулација на напонот, или за пуштање во работа на мотори за наизменична струја;
• Исправувачки трансформатори, неопходен составен дел на статичките енергетски преобразувачи, и тоа пред сè на: исправувачите за преобразување на наизменичната струја во еднонасочна, и изменувачите, во кои преобразувањето е во обратна насока т.е. еднонасочната струја се преобразува во наизменична;
• Испитни трансформатори за високонапонски испитувања на различни уреди;
• Специјални енергетски трансформатори, како што се трансформаторите за заварување или за напојување на печки во електротермиските металуршки постројки;
• Мерни трансформатори, за вклучување во различни мерни шеми за мерење на напони и струи ва ЕЕС, според тоа разликуваме напонски и струјни мерни трансформатори;
• Микротрансформатори, за примена во радио, видео, аудио и електронските уреди;

Постојат многу други специјални видови трансформатори.

Номинални големини

Сите големини со кои се определува номиналниот режим на работа се номинални големини. Номинален режим на работа на трансформаторот е режим кој е дефиниран со податоците наведени на плочката (табличка) од производителот, која мора да биде цврсто и трајно фиксирана на видливо место. Под номинални големини се подразбираат:

• Број на фази;
• Номинална моќност е моќноста во киловолт-ампери (kVA, кВА) и се однесува на моќноста на секундарните (излезни) краеви од трансформаторот;
• Номинален примарен напон, во kV или [V], е напонот на кој се приклучува влезната намотка на трансформаторот;
• Номинален секундарен напон, во [kV] или [V], е напонот на краевите на излезната намотка во празен од на трансформаторот, при номинален напон на краевите на примарната намотка;
• Номинални струи на трансформаторот, примарна и секундарна, обично во [A], што соодветствуваат на номиналната моќност и номиналните напони, примарен и секундарен соодветно;
• Номинална честота е честотата со која работи трансформаторот и вообичаено, за наши услови е f=50 [Hz];
• Шема и група на соединување на намотките кај повеќефазните трансформатори;
• Напон на куса врска, обично во % или неговата релативна вредност, кој ги определува падовите на напон во намотките на оптоварениот трансформатор;

Може да се наведат и други дополнителни податоци во зависност од трансформаторот.

Примената на трансформаторите е мошне широка, почнувајќи од пренос и дистрибуција на електрична енергија, потоа преку трансформација на напони и струи во разни индустриски постројки, до примена во радиотехниката, техника на врски, автоматика, телемеханика, мерна техника, итн. Во зависност од областа на примена и намената на трансформаторот, номиналната моќност и напоните се движат во многу широки граници: од неколку [V], па сè до неколку стотини [kV]. Денес, најголемите трансформатори се со моќности од ред на големина неколку илјади [MVA] и за напони од 400 [kV].

Примена

Трансформатор во станицата за генерирање варовник во Манитоба, Канада

Зашто високите напони што ги има во жиците се значително поголеми од она што е потребно во домот, трансформаторите исто така во голема мера се користат кај електричните производи за да се намали напонот на напојување до ниво коешто ќе биде погодно за ниските напонски кола што ги содржат.^[67] Трансформаторот исто така електрично го изолира крајниот корисник од контакт со напонот на напојување. Трансформаторите се користат за да се зголеми напонот пред пренесување електрична енергија на големи растојанија преку жици. Жиците имаат отпор кој губи енергија преку џулево загревање со брзина која одговара на квадратот на струјата. Со претворање на моќ во поголем напон, трансформаторите овозможуваат економски пренос на моќ и дистрибуција. Последично, трансформаторите ја обликуваа индустријата за снабдување со електрична енергија.^[68] Вкупната, освен мал дел од светската електрична енергија, има поминато низа трансформатори за да дојде до потрошувачот.^[69]

Сигналните и аудио трансформатори се користат за спарување на засилувачи и за да се поврзат уреди како што се микрофони и снимачи на влезот на засилувачите. Аудио трансформаторите им дозволија на телефонските кола да водат двонасочен разговор преку еден пар жици.Балун трансформаторот претвора сигнал кој се однесува до земјата во сигнал кој има балансиран напон до земја, како што е помеѓу надворешни кабли и внатрешни кола. Трансформаторите направени според медицински стандарди ги изолираат корисниците од еднонасочната струја. Овие можат да се сретнат во комбинација со болничките кревети, стоматолошките столчиња и друга медицинска лабораториска опрема.^[70]

Шематски приказ на голем енергетски нафтен трансформатор

Историја

Откривање на индукција

Фарадеев експеримент со индукција помеѓу калеми од жици^[71]

Електромагнетната индукција, принципот на работа на трансформаторот, е откриена од Мајкл Фарадеј во 1831, Џозеф Хенри во 1832 и други.^{[72][73][74][75]} Врската помеѓу ЕМС и магнетниот тек е претставена со равенката позната како Фарадеев закон за индукција:

${\displaystyle |{\mathcal {E}}|=\left|{{\mathrm {d} \Phi _{\text{B}}} \over \mathrm {d} t}\right|}$.

каде ${\displaystyle |{\mathcal {E}}|}$ е магнитудата на ЕМС во волти, а Φ_B е магнетниот тек низ колото претставен во вебери.^[76]

Фарадеј извел експерименти за индукција помеѓу калеми од жица, вклучувајќи намотување пар намотки околу железен прстен, на тој начин создавајќи го првиот трансформатор со тороидно затворено јадро.^[75][77] Сепак, тој применил само самостојни пулсови на струја во неговиот трансформатор и никогаш не го открил односот помеѓу вртежите и ЕМС во намотките.

Индукционен калем, 1900, Бременхафен, Германија

Индукционен калем

Поврзано: Индукционен калем

Фарадеев прстенест трансформатор

Првиот тип на трансформатор кој широко се применувал бил индукциониот калем или индукторот, изумен од страна на Николас Калан од колеџот Мејнут, Ирска во 1836 година.^[75] Тој бил еден од првите истражувачи кои сфатиле дека колку повеќе вртежи има секундарот во однос на примарот, толку поголема ќе биде индуцираната секундарна ЕМС. Индукторите се развиле од напорите на научниците и иноваторите да добијат поголем напон од батериите. Зашто батериите произведуваат еднонасочна струја наместо наизменична, индукционите калеми се потпираат на вибрирачкиот електричен контакт што редовно ја прекинува струјата во примарот за да ја создаде промената на текот потребна за индукција. Помеѓу 1830-тите и 1870-тите, напорите да се направат подобри индуктори пополека ги откриле основните принципи на трансформаторите.

Првите трансформатори на наизменична струја

До 1870-тите биле достапни ефикасни генератори кои произведувале наизменична струја и е утврдено дека наизменичната струја може да го напојува индукциониот калем без прекинувач.

Во 1876, рускиот инженер Павел Јаблочков изумил^[78][79] систем за осветлување заснован врз сет на индукциони калеми, каде примарните намотки биле поврзани со извор на наизменична струја. Секундарните намотки можеле да бидат поврзани со неколку „електрични свеќи“ (лачни лампи) од негов сопствен дизајн.^{[80] [81]} Калемите на Јаблочков воглавно функционирале како трансформатори.^[80]

Во 1878, фабриката Ганз во Будимпешта, Унгарија, започнала произведување на опрема за електрично осветлување и до 1883, вградила над педесет системи во Австроунгарија. Нивните системи со наизменична струја користеле лачни лампи, генератори и друга опрема.^[75][82]

Луциен Гаулард и Џон Диксон Гибс, во Лондон 1882 година, станале првите кои изложиле уред со отворено железно јадро наречено „секундарен генератор“, а потоа ја продале идејата на Вестингхаус компанијата во САД.^[83] Исто така го изложиле изумот во Торино, Италија во 1884, каде што бил прилагоден на систем за електрично осветлување.^[84]

Првични сериски кола на трансформаторска распределба

Индукционите калеми со отворени магнетни кола се неефикасни во преносот на енергија до потрошувачите. До околу 1880, парадигмата за пренесување на назименична струја од високонапонско напојување до нисконапонски потрошувач била сериско коло. Трансформерите со отворено јадро со опсег од приближно 1:1 биле сериски поврзани со нивните примари за да се овозможи користење на висок напон за пренос, воведувајќи им низок напон на лампите. Маната на овој метод била таа што исклучувањето на една лампа или друг електричен уред ќе влијае врз напонот кој им се испорачува на сите други уреди во истото коло. Многу прилагодливи трансформаторски дизајни биле претставени да ја надокнадат оваа проблематична одлика на сериското коло, вклучувајќи ги и оние методи на прилагодување на јадрото или заобиколување на магнетиниот тек околу делови на калемот..^[84] Ефикасни и практични дизјани на трансформатори не се појавиле до 1880-тите, но за една деценија, трансформаторите ќе бидат инструменти во Војната на струите, па по победата на наизменичната струја над еднонасочната, останува во доминантна позиција од тогаш.^[85]

Школка на трансформатор, скица на Апенборн за опишување на патентите на ЗБД инженерите од 1885.^[84]

Форма на јадро, напред; форма на школка, позади. Најрани примероци на високоефективни константно-потенцијални трансформатори дизајнирани од ЗБД, произведени во фабриката Ганз, 1885.

ЗБД тимот составен од Кароли Зиперновски, Ото Блати и Микса Дери

Стенлиевиот дизајн за прилагодлив индукционен калем со отворено јадро, 1886^[86]

Трансформатори со затворено јадро и паралелна енергетска распределба

Во есента 1884, Кароли Зиперновски, Ото Блати и Микса Дери (ЗБД), три инженери кои се поврзуваат со фабриката Ганз, забележале дека уредите со отворено јадро се непрактични поради нивната неспособност сигурно да го регулираат напонот.^[82] Кај нивните заеднички патенти од 1885 за нови трансформатори (подоцна наречени ЗБД трансформатори), опишале два дизајна со затворени магнетни кола каде бакарните намотки биле или а) намотани околу железно прстенесто јадро од жица или б) обиколени од јадро од железна жица.^[84] Двата дизајна биле првите примени на двете основни конструкции на трансформатори, сè уште во употреба до денешен ден, кои како класа можат да се наречат како или форма на јадро или форма на школка (или пак алтернативно, тип на јадро или тип на школка) како а) или б), соодветно (види фотографии).^{[32][35][75][87][88]} Фабриката Ганз во есента 1884, исто така направила испорака на првите пет високоефективни трансформери на наизменична струја во светот, меѓу кои првиот од уредите е испорачан на 16 септември 1884.^[89] Оваа прва единица е произведена со следниве спецификации: 1.400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, опсег 1.67:1, еднофазна, форма на школка.^[89]

Кај двата дизајна, магнетниот тек кој ги поврзува примарот и секундарот, патува речиси целосно во внтрешноста на границите на железното јадро, без намерно да поминува низ воздух. Новите трансформатори биле 3,4 пати поефикасни отколку биполарните уреди со отворено јадро на Гаулард и Гибс.^[90] Патентите на ЗБД вклучувале две други значајни и меѓусебно поврзани иновации: една се однесува на користењето на паралелно поврзување наместо сериско, а другата на трансформаторите со способност за висок опсег вртежи, така што напонот на мрежата за напојување може да биде многу поголем (на почетокот од 1.400 до 2.000 V) отколку напонот на потрошувачите (100 V посакувани на почетокот).^[91][92] Кога се вградиле во паралелно поврзани електрични системи за дистрибуција, трансформаторите со затворено јадро конечно направиле да биде технички и економски возможно да се обезбедува електрична енергија за осветлување во домот, на работа и јавни места.^[93][94] Блати го предложил користењето на затоврени јадра, Зиперновски ја предложил употребата на паралелно шунтово поврзување, а Дери ги изведувал експериментите.^[95]

Трансформаторите денес се дизајнирани според принципите откриени од овие тројца инженери. Тие исто така го популаризирале зборот „трансформатор“, за да се опише уред за промена на ЕМС на струјата,^[93][96] иако терминот веќе се употребувал од 1882.^[97][98] Во 1886, ЗБД инженерите дизајнирале,а фабриката Фанз ја испорачала електричната опрема за првата електрана во светот, што користеле генератори за наизменична струја, за напојување на паралелно поврзаните заеднички електрични мрежи.^[99]

Иако Џорџ Вестингхаус ги купил патентите на Гаулард и Гибс во 1885, компанијата Едисон електрик лајт држела опција на американските права за ЗБД трансформаторите, барајќи Вестингхаус да се занимава со алтернативни дизајни на истите принципи. Тој му ја доделил задачата за развивање уред за комерцијална употреба во САД на Вилијам Стенли.^[100] Стенлиевиот прв патентиран дизајн бил за идукционен калем со единечни јадра од меко железо и прилагодувачки празнини за регулација на присутната ЕМС во секундарната намотка.^[86] Овој дизајн^[101] првпат бил комерцијално употребен во 1886 во САД,^[102] но Вестингхаус бил одлучен да го подобри Стенлиевиот дизајн и, за разлика од ЗБД типот, да го направи лесен и евтин за производство.^[101]

Вестингхаус, Стенли и соработниците набрзо развиле јадра полесни за изработка, кои се состоеле од многу тенки плочи во форма на буквата „Е“, изолирани со тенки листови хартија или друг изолационен материјал, така што да може намотаните бакарни калеми да се потиснат на своето место, а правите железни плочи да се легнат за да се создаде затворено магнетно коло. Вестингхаус аплицирал за патент за новиот евтин дизајн во декември 1886; апликацијата е прифатена во јули 1887.^[95][103]

Други рани трансформаторски дизајни

Во 1889 рускиот инженер Михаил Доливо-Доброволски го развил првиот трифазен трансформатор во Алгемајне Електриситетз-Гезелшафт ('General Electricity Company') во Германија.^[104]

Во 1891, Никола Тесла изумил Теслин трансформатор, со воздушно јадро и двојнонасочен резонантен трансформатор кој произведува многу висок напон на висока честота.^[105][106]

Аудиочестотните трансформатори биле користени во раните експерименти при развојот на телефонот.

Поврзано

Белешки

1. With turns of the winding oriented perpendicularly to the magnetic field lines, the flux is the product of the magnetic flux density and the core area, the magnetic field varying with time according to the excitation of the primary. The expression dΦ/dt, defined as the derivative of magnetic flux Φ with time t, provides a measure of rate of magnetic flux in the core and hence of EMF induced in the respective winding. The negative sign is described by Lenz's law.
2. Although ideal transformer's winding inductances are each infinitely high, the square root of winding inductances' ratio is equal to the turns ratio.
3. This also implies the following: Input impedance is infinite when secondary is open and zero when secondary is shorted; there is zero phase-shift through an ideal transformer; input and output power and reactive volt-ampere are each conserved; these three statements apply for any frequency above zero and periodic waveforms are conserved.^[4]
4. Direction of transformer currents is according to Правило на десна рака.
5. Windings of real transformers are usually wound around very high permeability ferromagnetic cores but can also be air-core wound.
6. Section Leakage factor and inductance of Leakage inductance derives a transformer equivalent in terms of various measurable inductances (winding, self, leakage, magnetizing and mutual inductances) and turns ratio, which are collectively essential to rigorous counter EMF understanding.
7. "The turn ratio of a transformer is the ratio of the number of turns in the high-voltage winding to that in the low-voltage winding." (Common usage has evolved over time from 'turn ratio' to 'turns ratio'.)
8. A step-down transformer converts a high voltage to a lower voltage while a step-up transformer converts a low voltage to a higher voltage, an isolation transformer having 1:1 turns ratio with output voltage the same as input voltage.
9. Percent impedance is the ratio of the voltage drop in the secondary from no load to full load; and is here represented with the variable Z.^[19] It can be shown that if the percent impedance. In some texts, Z is used for absolute impedance instead.
10. A standardized open-circuit or unloaded transformer test called the Epstein frame can also be used for the characterization of magnetic properties of soft magnetic materials including especially electrical steels.^[23]
11. ANSI/IEEE Standard C57.13 defines polarity in terms of the relative instantaneous directions of the currents entering the primary terminals and leaving the secondary terminals during most of each half cycle, the word 'instantaneous' differentiating from say phasor current.^[28][29]
12. Transformer polarity can also be identified by terminal markings H0,H1,H2... on primary terminals and X1,X2, (and Y1,Y2, Z1,Z2,Z3... if windings are available) on secondary terminals. Each letter prefix designates a different winding and each numeral designates a termination or tap on each winding. The designated terminals H1,X1, (and Y1, Z1 if available) indicate same instantaneous polarities for each winding as in the dot convention.^[30]
13. When a voltage transformer is operated with sinusoidal voltages in its normal frequency range and power level the voltage polarity at the output dot is the same (plus minus a few degrees) as the voltage polarity at the input dot.
14. The life expectancy halving rule holds more narrowly when the increase is between about 7 °C to 8 °C in the case of transformer winding cellulose insulation.