Transzformátor felépítése

Ezt a mágneses kört, közismertebb nevén a “transzformátormagot” úgy tervezték, hogy a mágneses mező számára olyan utat biztosítson, amelyen körbeáramlik, ami szükséges a feszültség indukciójához a két tekercs között.

A transzformátorok ilyen típusú felépítése azonban, ahol a két tekercset külön végtagokra tekerik, nem túl hatékony, mivel az elsődleges és másodlagos tekercsek jól el vannak választva egymástól. Ez alacsony mágneses csatolást eredményez a két tekercs között, valamint nagy mennyiségű mágneses fluxusszivárgást magából a transzformátorból. De ezen “O” alakú konstrukció mellett léteznek különböző típusú “transzformátor-konstrukciók” és kialakítások is, amelyekkel leküzdhetők ezek a hatástalanságok, és kisebb, kompaktabb transzformátorokat eredményeznek.

Az egyszerű transzformátor-konstrukció hatékonysága javítható azáltal, hogy a két tekercset szoros érintkezésbe hozzuk egymással, ezáltal javítva a mágneses csatolást. A mágneses kör növelése és koncentrálása a tekercsek körül javíthatja a két tekercs közötti mágneses csatolást, de ez a transzformátor magjának mágneses veszteségeit is növeli.

Amellett, hogy kis reluktanciájú utat biztosít a mágneses térnek, a magot úgy tervezték, hogy megakadályozza a magában a vasmagban keringő elektromos áramokat. A keringő áramok, az úgynevezett “örvényáramok” melegedést és energiaveszteségeket okoznak a magban, csökkentve a transzformátor hatásfokát.

Ezek a veszteségek elsősorban a vasáramkörben indukált feszültségek miatt keletkeznek, amelyet folyamatosan a külső szinuszos tápfeszültség által létrehozott váltakozó mágneses mezőnek vetnek alá. E nem kívánt teljesítményveszteségek csökkentésének egyik módja, ha a transzformátor magját vékony acéllemezekből építik fel.

A transzformátorok minden konstrukciójában a központi vasmagot vékony szilíciumacéllemezekből készült, nagy áteresztőképességű anyagból építik fel. Ezeket a vékony rétegeket úgy illesztik össze, hogy a szükséges mágneses utat a lehető legkisebb mágneses veszteségek mellett biztosítsák. Magának az acéllemeznek nagy az ellenállása, így a rétegek nagyon vékonyak, ami csökkenti az örvényáramveszteséget.

A transzformátorok acéllemezeinek vastagsága 0,25 mm és 0,5 mm között változik, és mivel az acél vezető, a rétegeket és a rögzítőcsapokat, szegecseket vagy csavarokat nagyon vékony szigetelő lakkréteggel vagy a felületen lévő oxidréteg alkalmazásával elektromosan szigetelik egymástól.

Transzformátor felépítése a magból

A transzformátor felépítéséhez kapcsolódó elnevezés általában attól függ, hogy a primer és szekunder tekercsek hogyan vannak a központi rétegelt acélmag köré tekerve. A transzformátor felépítésének két legelterjedtebb és legalapvetőbb konstrukciója a zártmagos transzformátor és a héjmagos transzformátor.

A “zártmagos” típusú (magos formájú) transzformátorban az elsődleges és másodlagos tekercsek kívül vannak tekerve, és a maggyűrűt veszik körül. A “héjtípusú” (héjforma) transzformátorban az elsődleges és szekunder tekercsek az acél mágneses kör (mag) belsejében haladnak, amely az alábbi ábrán látható módon héjat képez a tekercsek körül.

Transzformátor magszerkezet

A transzformátor mindkét típusú magszerkezetében az elsődleges és szekunder tekercseket összekötő mágneses fluxus teljes egészében a magon belül halad, a levegőn keresztül nincs mágneses fluxusveszteség. A magtípusú transzformátor-konstrukcióban minden tekercs egyik fele a transzformátor mágneses körének mindkét lába (vagy ága) köré van tekerve a fentiek szerint.

A tekercsek nem úgy vannak elrendezve, hogy a primer tekercs az egyik lábon, a szekunder a másikon van, hanem a primer tekercs fele és a szekunder tekercs fele koncentrikusan egymás fölé van helyezve minden lábon, hogy a mágneses csatolás növekedjen, így gyakorlatilag az összes mágneses erővonal egyszerre halad át a primer és a szekunder tekercseken. Az ilyen típusú transzformátorkonstrukció esetén azonban a mágneses erővonalak egy kis százaléka a magon kívülre áramlik, és ezt nevezzük “szivárgási fluxusnak”.

A héjtípusú transzformátormagok kiküszöbölik ezt a szivárgási fluxust, mivel mind az elsődleges, mind a másodlagos tekercselés ugyanazon a középső lábon vagy száron van tekerve, amelynek keresztmetszete kétszer akkora, mint a két külső száré. Ennek az az előnye, hogy a mágneses fluxusnak két zárt mágneses útvonala van, amelyet a jobb és bal oldali tekercsek külső oldalán is körbejárhat, mielőtt visszatérne a központi tekercsekbe.

Ez azt jelenti, hogy az ilyen típusú transzformátorszerkezetben a külső végtagok körül keringő mágneses fluxus Φ/2-vel egyenlő. Mivel a mágneses fluxusnak zárt útja van a tekercsek körül, ez azzal az előnnyel jár, hogy csökkenti a magveszteségeket és növeli a teljes hatásfokot.

Transzformátor laminálás

De talán kíváncsi vagy arra, hogy az ilyen típusú transzformátorszerkezeteknél az elsődleges és másodlagos tekercseket hogyan tekercselik e laminált vas- vagy acélmagok köré. A tekercseket először egy hengeres, téglalap alakú vagy ovális keresztmetszetű előfeszítőre tekercselik, amely megfelel a rétegelt mag felépítésének. Mind a héj-, mind a magtípusú transzformátorkonstrukciókban a tekercsek tekercselésének rögzítése érdekében az egyes rétegelt lemezeket nagyobb acéllemezekből bélyegzik vagy lyukasztják ki, és vékony acélcsíkokká alakítják, amelyek az alábbiakban látható “E”, “L”, “U” és “I” betűkre hasonlítanak.

Transzformátor magtípusok

Ezek a rétegelt bélyegek, ha összekapcsolják őket, a kívánt magformát alkotják. Például két “E” bélyegzés és két végzáró “I” bélyegzés egy E-I magot eredményez, amely egy szabványos héjtípusú transzformátormag egyik elemét alkotja. Ezeket az egyes laminációkat a transzformátorok építése során szorosan egymáshoz illesztik, hogy csökkentsék az illesztéseknél lévő légrés reluktanciáját, ami nagy telített mágneses fluxussűrűséget eredményez.

A transzformátorok magjának laminációit általában felváltva rakják egymásra, hogy egy átfedő illesztést hozzanak létre, és több laminációs párt adnak hozzá a megfelelő magvastagság kialakításához. A lamelláknak ez a váltakozó egymásra helyezése a transzformátornak azt az előnyt is biztosítja, hogy csökken a fluxusszivárgás és a vasveszteség. Az E-I magos laminált transzformátorszerkezetet leginkább leválasztó transzformátorokban, fel- és lefokozó transzformátorokban, valamint autós transzformátorokban használják.

Transzformátor tekercselési elrendezések

A transzformátor tekercselések a transzformátorszerkezet másik fontos részét képezik, mivel ezek a fő áramvezető vezetékek, amelyek a mag laminált szakaszai köré tekerednek. Egy egyfázisú, két tekercselésű transzformátorban két tekercselés lenne jelen az ábrán látható módon. Az egyik, amelyik a feszültségforráshoz csatlakozik, és létrehozza a mágneses fluxust, amelyet primer tekercsnek neveznek, és a második tekercset, amelyet szekundernek neveznek, amelyben a kölcsönös indukció eredményeként feszültség indukálódik.

Ha a szekunder kimeneti feszültség kisebb, mint a primer bemeneti feszültség, a transzformátor “Step-down transzformátor” néven ismert. Ha a szekunder kimeneti feszültség nagyobb, mint a primer bemeneti feszültség, akkor “Step-up transzformátornak” nevezik.

A transzformátor tekercselésében a fő áramvezető vezeték típusa réz vagy alumínium. Bár az alumíniumhuzal könnyebb és általában olcsóbb, mint a rézhuzal, nagyobb keresztmetszetű vezetőt kell használni ugyanannyi áram átviteléhez, mint a réz esetében, ezért elsősorban nagyobb teljesítményű transzformátorokban használják.

A kis kVA teljesítményű és feszültségű transzformátorokban, amelyeket kisfeszültségű elektromos és elektronikus áramkörökben használnak, általában rézvezetőket használnak, mivel ezeknek nagyobb a mechanikai szilárdsága és kisebb a vezető mérete, mint az egyenértékű alumíniumtípusoknak. Hátrányuk, hogy a maggal együtt ezek a transzformátorok sokkal nehezebbek.

A transzformátorok tekercselése és tekercsei nagyjából koncentrikus tekercsek és szendvicstekercsek szerint osztályozhatók. A magtípusú transzformátoroknál a tekercsek általában koncentrikusan helyezkednek el a magszár körül a fentiek szerint, a magasabb feszültségű primer tekercset a kisebb feszültségű szekunder tekercs fölé tekerve.

A szendvicstekercsek vagy “palacsintatekercsek” spirális alakban tekert lapos vezetőkből állnak, és a vezetők korongokba való elrendezése miatt kapták ezt a nevet. A váltakozó tárcsák kívülről a középpont felé spirálisan, egymásba ágyazottan helyezkednek el, az egyes tekercseket egymásra helyezik és szigetelőanyagokkal, például papírral vagy műanyag lemezzel választják el egymástól. A szendvicstekercsek és tekercsek gyakrabban fordulnak elő héj típusú magszerkezettel.

A csavaros tekercselésként is ismert helikális tekercsek egy másik nagyon gyakori hengeres tekercselrendezés, amelyet kisfeszültségű nagyáramú transzformátor-alkalmazásokban használnak. A tekercsek nagy keresztmetszetű, téglalap alakú vezetőkből állnak, amelyeket az oldalára tekercselnek, a szigetelt szálak a henger hosszában folyamatosan párhuzamosan tekercselve, a szomszédos fordulók vagy tárcsák közé megfelelő távtartókat illesztve a párhuzamos szálak közötti keringő áramok minimalizálása érdekében. A tekercs kifelé egy dugóhúzóhoz hasonló spirálként halad előre.

A transzformátorban a vezetők rövidzárlatának megakadályozására használt szigetelés általában egy vékony lakk- vagy zománcréteg a léghűtéses transzformátorokban. Ezt a vékony lakkot vagy zománcfestéket a vezetékre festik, mielőtt azt a mag köré tekerik.

A nagyobb teljesítményű és elosztó transzformátorokban a vezetőket olajjal impregnált papír vagy szövet segítségével szigetelik egymástól. Az egész magot és a tekercseket egy transzformátorolajat tartalmazó védőtartályba merítik és lezárják. A transzformátorolaj szigetelőanyagként és hűtőközegként is működik.

Transzformátor pontorientáció

Nem lehet csak úgy egyszerűen fogni egy rétegelt magot és körbetekerni az egyik tekercskonfigurációt. Megtehetnénk, de előfordulhat, hogy a szekunder feszültség és áram fázison kívüli lehet a primer feszültséghez és áramhoz képest. A két tekercs tekercselésének van egy határozott orientációja az egyiknek a másikhoz képest. Bármelyik tekercs az óramutató járásával megegyező vagy ellentétes irányban tekeredhet a mag köré, ezért a relatív tájolásuk nyomon követésére “pontokat” használnak az egyes tekercsek adott végének azonosítására.

A transzformátor tekercsek tájolásának vagy irányának azonosítási módját “pontkonvenciónak” nevezik. Ezután a transzformátor tekercseléseit úgy tekercselik, hogy a tekercsfeszültségek között a megfelelő fázisviszonyok álljanak fenn, a transzformátor polaritását a szekunder feszültségnek a primer feszültséghez viszonyított relatív polaritása határozza meg, amint az alább látható.

Transzformátor felépítése pontorientációval

Az első transzformátor két “pontját” egymás mellett mutatja a két tekercselésen. A szekunder oldali pontból kilépő áram “fázisban” van a primer oldali pontba belépő árammal. Így a feszültségek polaritása a pöttyös végeken szintén fázisban van, tehát amikor a feszültség pozitív a primer tekercs pöttyös végén, akkor a szekunder tekercsen átmenő feszültség is pozitív a pöttyös végén.

A második transzformátoron a két pötty a tekercsek ellentétes végein látható, ami azt jelenti, hogy a transzformátor primer és szekunder tekercsének tekercselése ellentétes irányban van tekerve. Ennek eredménye, hogy a szekunder pontból kilépő áram 180o “fázison kívül” van a primer pontba belépő árammal. Így a pöttyös végeken a feszültségek polaritása is fázison kívüli, így amikor a primer tekercs pöttyös végén a feszültség pozitív, a megfelelő szekunder tekercsen a feszültség negatív lesz.

A transzformátor felépítése tehát lehet olyan, hogy a szekunder feszültség a primer feszültséghez képest “fázisban” vagy “fázison kívül” legyen. Azokban a transzformátorokban, amelyek több különböző szekunder tekercseléssel rendelkeznek, amelyek mindegyike elektromosan el van szigetelve egymástól, fontos ismerni a szekunder tekercsek pontpolaritását, hogy azokat soros segítő (a szekunder feszültség összegződik) vagy soros ellentétes (a szekunder feszültség a különbség) konfigurációban lehessen összekapcsolni.

A transzformátor fordulatszámának beállítási lehetősége gyakran kívánatos a primer tápfeszültség változásainak, a transzformátor szabályozásának vagy a változó terhelési viszonyoknak a kompenzálása érdekében. A transzformátor feszültségszabályozása általában a fordulatszám és ezáltal a feszültségarány változtatásával történik, ahol a nagyfeszültségű oldalon a primer tekercs egy része ki van csapolva, ami lehetővé teszi a könnyű beállítást. A megcsapolást előnyben részesítik a nagyfeszültségű oldalon, mivel az egy fordulatra jutó feszültség alacsonyabb, mint a kisfeszültségű szekunder oldalon.

Transzformátor primer csapváltások

Ebben az egyszerű példában a primer csapváltásokat ±5%-os tápfeszültségváltozásra számították ki, de bármilyen érték választható. Egyes transzformátorok két vagy több primer vagy két vagy több szekunder tekercseléssel rendelkezhetnek különböző alkalmazásokban való használatra, amelyek különböző feszültségeket biztosítanak egyetlen magból.

Transzformátor magveszteségek

A vas vagy acél mágneses fluxust átvivő képessége sokkal nagyobb, mint a levegőé, és ezt a mágneses fluxust átengedő képességet permeabilitásnak nevezzük. A legtöbb transzformátormagot alacsony széntartalmú acélból készítik, amelynek permeabilitása 1500-as nagyságrendű lehet, míg a levegőé csak 1,0.

Ez azt jelenti, hogy egy acéllemezes mag 1500-szor jobban képes átvinni a mágneses fluxust, mint a levegő. Amikor azonban a mágneses fluxus egy transzformátor acélmagjában áramlik, az acélban kétféle veszteség keletkezik. Az egyiket “örvényáramveszteségnek”, a másikat pedig “hiszterézisveszteségnek” nevezik.

Hiszteresisveszteségek

A transzformátor hiszterézisveszteségeit a molekulák súrlódása okozza a mag mágnesezéséhez szükséges mágneses erővonalak áramlása ellen, amelyek értéke és iránya folyamatosan változik, először az egyik, majd a másik irányba a szinuszos tápfeszültség hatására.

Ez a molekulasúrlódás hőfejlődést okoz, ami energiaveszteséget jelent a transzformátor számára. A túlzott hőveszteség idővel megrövidítheti a tekercsek és a szerkezetek gyártásához használt szigetelőanyagok élettartamát. Ezért fontos a transzformátor hűtése.

A transzformátorokat továbbá úgy tervezték, hogy egy adott tápfrekvencián működjenek. A tápellátás frekvenciájának csökkentése megnövekedett hiszterézist és magasabb hőmérsékletet eredményez a vasmagban. Tehát a tápfrekvencia csökkentése 60 Hertz-ről 50 Hertz-re növeli a jelenlévő hiszterézis mennyiségét, csökkenti a transzformátor VA kapacitását.

Örvényáramveszteségek

A transzformátor örvényáramveszteségeit másrészt a mágneses fluxusnak a mag körüli áramlása által az acélba indukált keringő áramok áramlása okozza. Ezek a keringő áramok azért keletkeznek, mert a mágneses fluxushoz képest a mag egyetlen huzalhurokként viselkedik. Mivel a vasmag jó vezető, a tömör vasmag által indukált örvényáramok nagyok lesznek.

Az örvényáramok nem járulnak hozzá a transzformátor hasznosságához, hanem ellenkezőleg, az indukált áram áramlásával szemben negatív erőként viselkedve ellenállásos melegedést és teljesítményveszteséget generálnak a magban.

A vasmag rétegzése

A transzformátor magjában fellépő örvényáramveszteségeket nem lehet teljesen kiküszöbölni, de az acélmag vastagságának csökkentésével nagymértékben csökkenthetők és szabályozhatók. Ahelyett, hogy egyetlen nagy tömör vasmag lenne a transzformátor vagy a tekercs mágneses magjának anyaga, a mágneses utat sok vékony préselt acélformára, úgynevezett “rétegelt lemezekre” osztják fel.

A transzformátorszerkezetben használt rétegelt lemezek nagyon vékony szigetelt fémcsíkok, amelyeket egymáshoz illesztve egy tömör, de rétegelt magot kapunk, ahogy fentebb láttuk. Ezeket a laminációkat lakk- vagy papírréteggel szigetelik egymástól, hogy növeljék a mag effektív ellenállását, ezáltal növelve a teljes ellenállást, hogy korlátozzák az örvényáramok áramlását.

Az egész szigetelés eredménye az, hogy a magban a nem kívánt indukált örvényáramok teljesítményvesztesége jelentősen csökken, és ez az oka annak, hogy minden transzformátor és más elektromágneses gép mágneses vasáramköre mind laminált. A laminálás alkalmazása a transzformátorszerkezetben csökkenti az örvényáramveszteségeket.

Az energiaveszteségeket, amelyek hő formájában jelennek meg mind a hiszterézis, mind a mágneses útvonalban fellépő örvényáramok miatt, általában “transzformátormagveszteségeknek” nevezik. Mivel ezek a veszteségek minden mágneses anyagban előfordulnak a váltakozó mágneses mezők hatására. A transzformátor magveszteségek mindig jelen vannak egy transzformátorban, amikor a primer feszültség alatt áll, még akkor is, ha a szekunder tekercsre nincs terhelés csatlakoztatva. Ezeket a hiszterézis és az örvényáramveszteségeket is néha “transzformátor vasveszteségeknek” nevezik, mivel az ezeket a veszteségeket okozó mágneses fluxus minden terhelésnél állandó.

Rézveszteségek

A transzformátorokkal kapcsolatban van azonban egy másik típusú energiaveszteség is, amelyet “rézveszteségeknek” neveznek. A transzformátor rézveszteségei elsősorban a primer és szekunder tekercsek elektromos ellenállásából adódnak. A legtöbb transzformátor tekercsek rézhuzalból készülnek, amelynek ellenállása Ohmban, ( Ω ) van megadva. Ez az ellenállás áll szemben a rajtuk átfolyó mágnesező áramokkal.

Amikor a transzformátor szekunder tekercsére terhelés van csatlakoztatva, nagy elektromos áram folyik mind az elsődleges, mind a szekunder tekercsben, az elektromos energia és teljesítmény ( vagy az I2 R ) veszteségek hő formájában jelentkeznek. Általában a rézveszteségek a terhelési árammal változnak, üresjáratban majdnem nulla, és teljes terhelésnél, amikor az áramáramlás maximális.

A transzformátor VA névleges teljesítménye növelhető jobb tervezéssel és a transzformátor felépítésével, hogy csökkentse ezeket a mag- és rézveszteségeket. A nagy feszültségű és áramerősségű transzformátorok nagy keresztmetszetű vezetőket igényelnek a rézveszteségek minimalizálása érdekében. A hőleadás mértékének növelése (jobb hűtés) kényszerlevegővel vagy olajjal, vagy a transzformátor szigetelésének javítása, hogy az ellenálljon a magasabb hőmérsékletnek, szintén növelheti a transzformátor VA-értékét.

Az ideális transzformátort így határozhatjuk meg:

• Nincs hiszterézis hurok vagy hiszterézis veszteség → 0
• A mag anyagának végtelen ellenállása, ami nulla örvényáram veszteséget ad → 0
• Nulla tekercselési ellenállás, ami nulla I2*R rézveszteséget ad → 0

A transzformátorokról szóló következő bemutatóban a transzformátor szekunder tekercselését fogjuk megvizsgálni egy elektromos terheléssel kapcsolatban, és megnézzük, hogy milyen hatása van egy “NO-nak”.terhelés” és egy “ON-load” csatlakoztatott transzformátor hatása a primer tekercs áramára.