Osnovne Odlike Transformatora by Beksona

JU SREDNJA ELEKTROTEHNIČKA

ŠKOLA “VASO ALIGRUDIĆ“

PODGORICA

Maturski rad iz: Električne mašine

i pogoni

OSNOVNE ODLIKE TRANSFORMATORA

Меntor: Učenik:

Rada Samardžić, dipl.ing.el. Radomir Bošković, E4

S A D R Ž A J

Osnovne odlike transformatora Radomir Bošković, odjeljenje E4a

Strana

1. Uvod............................................................................................................................................1

2. Transformatori.............................................................................................................................2

2.1. Osnovni elementi konstrukcije transformatora.........................................................................3

3. Mjerni transformatori..................................................................................................................4

3.1. Naponski transformatori.....................................................................................................5

3.3.1. Konstrukcija naponskih transformatora............................................................................7

3.3.2 Kapacitivni naponski transformatori................................................................................7

3.2..Strujni transformator........................................................................................................8

4. Impulsni transformatori.............................................................................................................9

5. RF transformatori......................................................................................................................9

6. Autotransformatori....................................................................................................................10

7. Višefazni transformatori ..........................................................................................................10

8. Audiotransformatori.................................................................................................................10

9. Rezonantni transformatori........................................................................................................11

10. Idealni transformator..............................................................................................................12

11. Realni transformator...............................................................................................................12

12. Transformatorska jezgra.........................................................................................................13

12.1. Čelično jezgro...................................................................................................................14

12.2. Masivno jezgro.................................................................................................................14

12.3. Torusno jezgro..................................................................................................................15

13. Namotaji................................................................................................................................15

14. Izolacija.................................................................................................................................16

15. Hlađenje................................................................................................................................16

16. Krajevi..................................................................................................................................17

17. Zaključak..............................................................................................................................17

Literatura......................................................................................................................................18


1. Uvod

Transformator je električni uređaj koji transformiše energiju iz jednog kola u drugo posredstvom magnetne sprege, bez ikakvih pokretnih djelova. 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. Naizmjenična struja u jednom namotaju indukuje struju u drugim namotajima. Njegov osnovni dizajn, materijali i principi su se malo promijenili u posljednjih sto godina, ali opet, dizajn transformatora i materijali nastavljaju da se unapređuju. Transformatori su od vitalnog značaja za prenos energije visokim naponom koji obezbjeđuje uštedu tokom prenosa energije na velike daljine. Jednostavnost i pouzdanost transformatora i ekonomičnost transformacije napona u njemu su osnovni činioci u izboru prenosa naizmjeničnom strujom u ratu struja kasnih osamdesetih godina 19. vijeka. Transformatori audio-učestanosti su korišćeni u najranijim eksperimentima u razvoju telefona. Dok su neke rane elektronske primjene transformatora zamijenjene alternativnim tehnikama, transformatori se još uvijek 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 djelove nacionalnih mreža, ali svi rade na istim osnovnim principima i sa velikim sličnostima u djelovima.

Transformator ne može da uradi sledeće:

Transformiše jednosmjernu struju u naizmjeničnu i obrnuto Promijeni napon i struju jednosmjerne struje Promijeni učestanost naizmjenične struje

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

1.

2. TRANSFORMATORI


Transformator je statički elektrotehnički aparat koji, pomoću elektromagnetne indukcije, pretvara jedan sistem naizjmeničnih struja u jedan ili više sistema naizmeničnih struja iste učestanosti i obično različitih vrijednosti struja i napona. Uloga transformatora u elektroenergetskom sistemu je veoma značajna jer on omogućuje ekonomičnu, pouzdanu i bezbjednu proizvodnju, prenos i distribuciju električne energije pri najprikladnijim naponskim nivoima. Dakle, njegovom primjenom se, uz veoma male gubitke energije, rešavaju problemi raznih naponskih nivoa i međusobne izolovanosti kola koje se nalaze na različitim naponskim nivoima. Ovde će, prije svega, biti riječi o energetskim transformatorima (Slika 1).

Slika 1. Trofazni distributivni transformator

Transformator treba da bude projektovan i izrađen tako da izdrži moguća naprezanja kojima je izložen tokom svog životnog vijeka. Naprezanja u osnovi možemo da svrstamo u tri glavne grupe: električna, mehanička i toplotna. Kod električnih naprezanja pre svega treba obratiti pažnju na prednapone koji se javljaju kao posledica prekidanja u kolu, atmosferskih pražnjenja, lukova ka zemlji, kratkih spojeva, kao i ispitnih napona. Pojave praćene velikim strujama u odnosu na naznačene (nominalne, nazivne) (kratki spojevi u mreži, kao i uključenje transformatora u praznom hodu), opasne su sa stanovišta mehaničkih i toplotnih naprezanja (ova naprezanja su proporcionalna sa kvadratom struje). Do povećanih toplotnih naprezanja dolazi i kod preopterećenja transformatora. Takođe treba obratiti pažnju i na buku transformatora.

2.


2.1. Osnovni elementi konstrukcije transformatora

U pogledu konstrukcije, transformator se sastoji iz sledećih osnovnih djelova:

magnetskog kola, namotaja, izolacije, transformatorskog suda, pomoćnih delova i pribora.

Magnetsko kolo se gradi od visokokvalitetnih hladnovaljanih orijentisanih transformatorskih limova. Da bi se smanjila struja magnećenja (pobudna struja) teži se uzimanju što kvalitetnijeg lima, sa velikom relativnom permeabilnošću, i primenjuju se odgovarajuća konstrukciona i tehnološka rešenja u izradi magnetskog kola. Radi smanjenja gubitaka usled vihornih (vrtložnih) struja, koriste se međusobno izolovani limovi male debljine (0,30, 0,27 i 23mm,0). Osnovni fizički elementi magnetskog kola su stubovi (jezgra), oko kojih su smješteni namotaji i jarmovi (donji i gornji). Stubovi imaju stepeničasti oblik i popunjavaju se paketima limova odgovarajuće širine, kako bi ispuna prostora opisanog kruga bilo što bolja. Kod transformatora velikih snaga, u jezgra se stavljaju kanali (podužni, širine 6mm) i prema potrebi jedan poprečni (širine 10-15mm), kako bi kroz njih moglo da cirkuliše ulje i hladi magnetsko kolo. Magnetsko kolo se priteže odgovarajućim steznim sistemom kako bi se dobila što bolja mehanička kompaktnost. Namotaji se prave od okruglog, profilnog ili trakastog provodnika od bakra ili aluminijuma, materijala koji imaju mali električni otpor. Namotaj koji se priključuje na napajanje se naziva primar, dok se namotaj koji je spojen na prijemnik naziva sekundar. Osnovni oblici namotaja prema načinu izrade su: spiralni, slojeviti i presloženi. Gustine struje za namotaje uljnih transformatora su 2A/5mm. Izolacija predstavlja kombinaciju celuloze (papir, prešpan) i izolacionog ulja u slučaju uljnih transformatora, odnosno čvrste izolacije (staklene tkanine impregnirane epoksidnim, silikonskim ili drugim sintetičkim smolama) u kombinaciji sa vazduhom kodsuvih transformatora (do 36kV ). Izolaciono (transformatorsko) ulje, osim poboljšanja izolacionih svojstava, obezbjeđuje i hlađenje transformatora, jer zbog svog velikog specifičnog toplotnog kapaciteta mnogo bolje odvodi toplotu sa magnetskog kola i namotaja na sud i rashladni sistem. Međutim, treba imati u vidu da je ulje zapaljivo i da lako gori. Transformatorski sud postoji kod uljnih transformatora i izrađuje se od kvalitetnog čelika sa ojačanjima. Oblik suda zavisi od načina hlađenja, pa bočne strane mogu biti glatke, valovite ili sa cijevima za hlađenje. Pomoćni djelovi i pribor transformatora: natpisna pločica, provodni izolatori za povezivanje sa mrežom, dilatacioni sud (konzervator), regulator napona, priključak za uzemljenje, džep termometra pokazivačnivoa ulja, slavina za ispuštanje ulja, itd.

3.


Slika 2. Osnovni djelovi transformatora

3. MJERNI TRANSFORMATORI

Mjerni transformatori predstavljaju posebnu vrstu transformatora kod kojih se primarni namotaj nalazi pod djelovanjem mjerene veličine, au kolo sekundarnog namotaja uključeni su mjerni instrumenti i zaštitni uređaji.

Visoki naizmjenični napon i velike struje, snage i energije danas se isključivo mjere posredstvom mjernih transformatora. Ovakav način mjerenja ima sledeća osnovna preimućstva nad direktnim jerenjima:

posredstvom mjernih transformatora redukuje se mjerene struje i naponi na vrijednosti pogodne za mjerenje redovno nominalne struje od 1 ili 5A i nominalni napon od 100V, pa se električne veličine (struja, napon, snaga, energija...) mogu mjeriti običnim instrumentima;

instrumenti za mjerenje (ampermetri, voltmetri, vatmetri...), vezani u sekundarno mjernog transformatora, nalaze se pod niskim naponom i ne

4.


upotrebom mjernih transformatora proširuje se mjerni instrument instrumenta slično kao dodatnim otporniceima i šantovima.

primjenom mjernih transformatora sa različitim odnosima transformacije omogućuje se korišćenje istih instrumenatasa standardnim opsezima, 1 i 5A, 100A, pri mjerenju različitih struja i napona;

upotrebom mjernih transformatora može se postići veća tačnost u mjerenju, a naročito pri mjerenju velikih struja (preko 300A). Mjerni transformatori redovno se sastoje od: jezgra složenog uzajamno izolovanih limova: primarnog i sekundarnog namotaja su među sobno odvojeni i dobro izolovani (zavisno od napona koji djeluje u mjernom kolu). Primarni namotaji mjernih transformatora uključeni su u mjerno strujno kolo, dok su na njihove sekundarne namotaje priključeni mjerni instrumenti.

Za posredno uključivanje voltmetara, frekvencmetara i naponskih kola mjernih instrumenata (vatmetara, brojila električne energije, fazmetara) i releja koriste se naponski transformatori. Za posredno uključenje ampermetra i strujnih kola mjernih instrumenata i releja služe strujni transformatori. Primarni namotaj naponskog transformatora priključuje se paralelno prijemniku čiji se napon mjeri, a primarni namotaj strujnog transformatora na red sa prijemnikom čija se struja mjeri.

3.1. Naponski transformatori

Naponski transformator je tip transformatora za mjerenje. Koristi se kada je potrebno izmjeriti visoke napone koje bi bilo teško izmjeriti direktnom metodom, tj. ako bi takvi uređaji i postojali, oni bi bili veoma glomazni i skupi. Upotrebom naponskih transformatora visoki naponski nivoi se transformišu na vrednosti koje omogućavaju upotrebu standardnih mjernih instrumenata i releja. Time se takođe postiže i bezbjedniji rad osoblja. Naponski transformatori su dizajnirani da imaju tačan prenosni odnos da precizno snize napon tako da se može mjeriti na bezbjednom naponu (tipično 100 V). Dizajnirani su tako da predstavljaju neznatno opterećenje naponu koji se mjeri. Po konstrukciji i načinu rada naponski liči na običan transformator snage i razlikuje se od njega samo što ima malu snagu, od 10 do 500W.

Naponske transformatore razlikujemo prema:

broju faza (jednofazni i trofazni); broju namotaja (dvonamotni i tronamotni); klasi tačnosti (0,1; 0,2; 0,5; 1; 3); načinu hlađenja (vazdušno i uljno hlađenje); vrsti montaže (spoljna i unutršnja montaža).

5.

http://sh.wikipedia.org/wiki/Napon

http://sh.wikipedia.org/wiki/Transformator


Pod normalnim naponom naponskog transformatora podrazumijeva se radni napon transformatora na koji je proračunat primarni namotaj (visokonaponski namotaj) transformatora. Odnos nominalnih napona visokokanaponskog (VN) i niskonaponskog (NN) namotaja naziva se odnos transformacije naponskog transformatora (m=UVN / UNN). Nominalna snaga naponskog transformatorazavisi od njegove klase tačnosti. Na transformatoru je redovno naznačena njegova snaga pri kojoj greške (pri nominalnom primarnom naponu) ne prelaze vrijednosti propisane za transformatore odgovarajuće klase tačnosti. Izvodi primarnog namotaja (VN) trofaznih transformatora označavaju se slovima U, V, W, a sekundarnog – u, v, w i x. Kod jednofaznih transformatora odgovarajuće oznake su U-V i u-v, ako je transformator je predviđen za mjerenje linijskog napona a U-X i u-x, ako je transformator predviđen za mjerenje faznog napona. Otpornost voltmetra i naponskih kola mjerenih instrumenata su relativno veliki (reda veličine nekoliko hiljada oma), pa možemo zaključiti da će naponski transformator raditi u režimu koji je sličan režimu rada pri praznom hodu transformatora snage (vidjeti Osnove elektrotehnike). Dakle, padovi napona u namotajima trasnformatora su zanemarljivi u poređenju sa nominalnim vriijednostima primarnog i sekundarnog napona naponskog transformatora.

Slika 3. Izolirani naponski pojačavač

6.


3.1.1. Konstrukcija naponskog transformatora

Namotaji mernih transformatora najčešće su od bakarne žice izvučene od elektrolitskog bakra kome je čistoća najmanje 99.9%. Bakarne žice okruglog presjeka su izolovane lakom na bazi sintetičkih smola. Osim lakiranih žica upotrebljavaju se žice sa jednim slojem prediva od svile; ovakva izolacija se koristi kad se mora postići mala kapacitivnost namotaja da bi se mogao upotrebiti za visoke frekvencije.

Prema vrsti upotrebljene izolacije između namotaja, razlikuju se:

suvi (do 145 kV) malouljni za sve napone uljni sa gasom SF6

Prema izvođenju razlikuju se dva osnovna tipa naponskih transformatora:

dvopolno izolovani naponski transformatori jednopolno izolovani naponski transformaotori

Razlika između ova dva naponska mjerna transformatora je to što dvopolno izolovani naponski transformator ima dva visokonaponska priključka koja su izolovana od suda transformatora, a jednopolno izolovani naponski transformatori imaju jedan visokonaponski priključak, dok se drugi kraj uzemljuje.

Za srednje napone, do 38 kV upotrebljavaju se jednopolni ili dvopolni izolovani suvi (izolator je epoksidna smola) ili malouljni naponski mjerni transformatori. Za visoke napone od 110 kV i više naponski transformatori se izrađuju isključivo kao jednopolno izolovani, jer je za ove napone znatno jeftinije upotrijebiti tri jednopolno izolovana nego dva dvopolno izolovana transformatora. U oklopljenim postrojenjima koja su izolovana gasom SF6 koriste se naponski transformatori sa gasom SF6 pod pritiskom od nekoliko bara.

3.1.2. Kapacitivni naponski transformatori

Za mjerenje visokih napona,umjesto induktivnih transformatora,vrlo često se koriste kapacitivni naponski transformatori. Po konstrukciji,kapacitivni transformatori su kondenzatori smešteni u provodni izolator i spojeni na red. Nekoliko ovih kondenzatora predstavlja visokonaponski deo Cv, a manji broj kondenzatora predstavlja niskonaponsku granu Cn na koju je priključen zaštitni uređaj ili voltmetar. Uglavnom se za ovakve transformatore koriste elektrostatički ili cevni voltmetri zbog veoma velike unutrašnje impedanse. Zbog toga je struja koja protiče kroz voltmetar praktično zanemarljiva. Da bi se ograničila potrošnja priključenog uređaja koji se vezuje na transformator.

7.

http://sh.wikipedia.org/wiki/Impedansa

http://sh.wikipedia.org/wiki/Kondenzator

http://sh.wikipedia.org/w/index.php?title=Kapacitivnost&action=edit&redlink=1

http://sh.wikipedia.org/wiki/Bakar


3.2. Strujni transformator

Strujni transformator je tip transformatora koji se upotrebljava pri mjerenju struja velikih vrijednosti koje bi inače bilo teško mjeriti nekom direktnom metodom kao i za relejnu zaštitu. Odnos primarne i sekundarne struje približno je obrnuto srazmjeran odnosu broja primarnih i sekundarnih navojaka. Nominalna vrijednost sekundarne struje je standardizovana i iznosi 5A za strujne transformatore za mjerenje i 5A ili 1A za strujne transformatore za relejnu zaštitu. Nominalna vrijednost primarne struje zavisi od mjesta primjene strujnog transformatora i može da uzima vrijednost od 1A do par hiljada ampera. Standardizovane vrijednosti naznačene primarne struje su 5A, 10A, 15A, 20A, 25A, 30A, 40A, 50A, 60A, 75A i decimalni umnošci navedenih. Proizvode se i visokonaponski strujni transformatori čija je vrijednost naznačene primarne struje i manja od 5A i to radi odvajanja visokog napona od mjernih uređaja. Razlikujemo strujne transformatore za niski napon i strujne transformatore za više naponske nivoe. Sem toga razlikujemo strujne transformatore za mjerenje i strujne transformatore za relejnu zaštitu (koji napajaju uređaje relejne zaštite). Strujni transformatori su obično konstruisani tako da obuhvate jedan primarni navojak (izolovan provodnik ili bakarnu šinu) kroz dobro izolovano torusno jezgro obmotano sa mnogo navojaka žice. Strujni transformatori koji se koriste u industriji su projektovani da obezbede 5 ampera koji su na ampermetrima koji su propisno baždareni da pokazuju izmjerenu primarnu struju. Ovi transformatori su označeni njihovim odnosom ulaznih i izlaznih struja (400:5, 200:5). Mora se obratiti velika pažnja da sekundar strujnog transformatora nikad ne smije biti otvoren dok teče struja kroz primar, jer se u tom slučaju na krajevima sekundara indukuje napon koji je opasan po život.

Slika 4. Strujni transformator

8.

http://sh.wikipedia.org/wiki/Amper

http://sh.wikipedia.org/wiki/Transformator


4. IMPULSNI TRANSFORMATORI

Impulsni transformatori su oni transformatori koji su prilagođeni za odavanje pravougaonih električnih impulsa (tj, pulseve sa kratkim vremenima rasta i opadanja i sa konstantnom amplitudom). Male verzije zvani signalni tipovi i koriste se u digitalnim kolima. Vrijednosti srednjih snaga se koriste u kolima za upravljanje . Verzije za veće snage se koriste u distribuciji električne energije za povezivanje kola sa malim naponima sa visokonaponskim ulazima snažnih poluprovodničkih uređaja kao što su trijak, IGBT tranzistor, tiristor ili MOSFET. Specijalni visokonaponski pulsni transformatori se takođe koriste za generisanje impulsa za radare, akceleratore čestica ili druge primene gde se koriste impulsni izvori.

Da bi se smanjilo izobličenje oblika impulsa, pulsni transformator mora da ima malu vrijednost propusne induktanse i dijeljene kapacitivnosti i velike induktanse u otvorenom kolu. U snažnim pulsnim transformatorima, niska kapacitivnost sprega (između primara i sekundara) je važna da bi zaštitilo kolo sa primarne strane od velikih prelaznih režima koje stvori napajanje. Zbog istog razloga, potrebni su velika otpornost izolacije i visok probojni napon. Dobar kratkotrajan odziv je potreban da bi se održao pravougaoni oblik signala na sekundaru, jer će impulsi sa sporijim ivicama izazivati gubitke prebacivanja u snažnim poluprovodnicima.

Proizvod maksimuma napona impulsa i trajanja impulsa (ili preciznije integral napon-vreme) se često koristi da karakteriše pulsne transformatore. Uopšteno, što je veći ovaj proizvod, veći je i skuplji transformator.

5. RF TRANSFORMATORI

Za upotrebu na radio-učestanostima, transformatori su ponekad napravljeni od konfiguracija provodnika, ponekad od bifilarnih ili koaksijalnih kablova, namotanih oko ferita ili drugih tipova jezgra. Ovaj tip transformatora daje izuzetno veliku širinu opsega, ali je ograničen samo brojnim odnosom (kao što su 1:9, 1:4 ili 1:2) koji se mogu postići ovom tehnikom. Materijal jezgra dramatično povećava induktivnost, time povećavajući njegov faktor kvaliteta. Jezgra takvih transformatora pomažu u popravljanju impedanse sa 300oma na 75oma u FM prijemnicima. Stariji tipovi RF transformatora su ponekad koristili treći namotaj (zvani prekidački namotaj) da ubaci povratnu spregu u raniji (detektorski) stepen starinskih regenerativnih radio prijemnika.

9.


6. AUTOTRANSFORMATORI

Autotransformator ima samo jedan namotaj, koji ima izveden kontakt. Naizmjenični ili pulsirajući napon se dovodi kroz dio namotaja, a viši (ili niži) napon se stvara na drugom dijelu istog namotaja. Dok u teoriji razdvojeni djelovi namotaja mogu biti korišteni i za ulaz i izlaz, u praksi se viši napon dovodi na krajeve namotaja, dok se niži dovodi na jedan kraj i izvedeni kontakt. Na primjer, transformator sa izvodom na sredini namotaja može da koristi 230 volti preko cijelog namotaja, a samo 115 volti od izvoda do jednog kraja. Može se priključiti na napon od 230 volti da napaja opremu koja zahtijeva 115 volti ili obrnuto. Kako je isti namotaj korišten i za ulaz i izlaz, fluks u jezgru je djelimično poništen i manje jezgro može biti korišteno. Za odnose napona koji ne prelaze 3:1, autotransformator je jeftiniji, lakši, manji i efikasniji nego pravi (dvonamotajni) transformator istih karakteristika.

U praksi, gubici transformatora dovode do toga da autotransforamtor nije savršeno reverzabilan; onaj koji je dizajniran za spuštanje napona će dati malo manji napon nego što je traženo od onog koji je projektovan za dizanje. Razlika je dovoljno mala da dozvoli reverzilnu upotrebu gde tačan naponski nivo nije kritičan.

7. VIŠEFAZNI TRANSFORMATORI

Za trofazne sisteme, mogu se koristiti tri jednofazna transformatora ili sve tri faze mogu biti povezane u jedan trofazni transformator. Tri primarna namotaja su povezana zajedno i tri sekundarna namotaja su povezana u jedno. Namotaji mogu biti povezani u trougao, zvijezdu ili slomljenu zvezdu.

Najčešće veze su zvijezda-trougao, trougao zvezda, trougao-trougao i zvijezda-zvijezda. Vektorska grupa pokazuje raspored namotaja, satni pomjeraj faznu razliku među njima. Ako je namotaj priključen za zemlju (uzemljen), tačka priključenja je obično u središtu sprege zvijezda ili slomljena zvijezda. Postoji mnogo konfiguracija koje uključuju više ili manje od šest namotaja.

8. AUDIO TRANSFORMATORI

Transformatori se ovde koriste za izjednačavanje impedanse. Ovo je potrebnije u ventilskim nego u kolima izrađenih od čvrstih materijala, pošto čvrste komponente se mogu koristiti u fleksibilnijim kolima koja eliminišu potrebu za transformatorom.

Audio-transformatori su obično faktor koji ograničavaju kvalitet zvuka; elektronska kola sa

širokim frekventnim odzivom i malom izobličenjem su relativno prosta za projektovanje.

Posebno kritičan deo je izlazni transformator audio pojačavača. Ventilska kola za kvalitetnu produkciju su dugo izrađivana bez (međustepenog) audio transformatora,


10.

ali izlazni transformator je potreban da spregne relativno visoka impedansa izlaznog ventila sa niskom impedansom zvučnika. (Ventil može da isporuči malu struju na visokom naponu; zvučnici zahtijevaju veliku struju na niskom naponu). Za dobar nisko-frekventni odziv je potrebno relativno veliko jezgro od gvožđa; snažna manipulisanja povećavaju veličinu potrebnog jezgra. Mala izobličenja zahtijevaju gvožđe određenih osobina; specijalna jezgra sa orijentisanim magnetnim domenima se koriste za najbolje rezultate. Dobar visoko-frekventni odziv zahtijeva pažljivo projektovane i izrađene namotaje bez suvišne propusne induktivnosti i zalutale kapacitivnosti. Sve ovo ga čini skupom komponentom.

Ventilski audio pojačavači bez izlaznih transformaotra su mogući, ali su retko korišćeni zbog svojih nedostataka.

Rani tranzistorski audio pojačavači su često imali izlazne transformatore, ali su oni uklonjeni pošto su projektanti došli u posjed nove tehnologije.

9. REZONANTNI TRANSFORMATORI

Rezonantni transformator je onaj koji radi na rezonantnoj učestanosti jednog ili više svojih namotaja. Rezonantni namotaj, obično sekundar, se ponaša kao induktor i povezan je na red sa kondenzatorom, Ako se primarni namotaj napaja izvorom periodične naizmjenične struje, kao što su pravougaoni ili testerasti talasi, svaki impuls struje pomaže u stvaranju oscilacije u sekundarnom namotaju. Zbog rezonancije, vrlo visoki napon se može razviti kroz sekundar, osim ako nije ograničen nekim procesom kao što je električni proboj. Zato se ovi uređaji koriste da stvaraju visoke naizmjenične napone. Struja dobijena iz ovih tipova namotaja može biti mnogo veća od elektrostatičkih mašina kao što su Van de Grafov generator i Vimshartova mašina. Oni takođe rade na višoj radnoj temperaturi nego standardni transformatori.

Transformator za regulaciju napona koristi rezonantni namotaj i dozvoljava djelovima jezgra da uđu u zasićenje u svakom ciklusu naizjmenične struje. Ovaj efekat stabilizuje izlaz regulacionog transformatora, koji se može koristiti za opremu koja je osjetljiva na varijacije priljučenog napona. Zasićeni transfomatori obezbjeđuju prost metod da se stabilizuje izvor napajanja. Ipak, zbog histerezisnih gubitaka koje prate ovakve operacije, efikasnost je mala.


11.

10. IDEALNI TRANSFORMATORI

Glavni djelovi transformatora su željezna jezgra, niskonaponski i visokonaponski namot, koji se nazivaju primarni i sekundarni namotaj koji služe za transformaciju električne energije.Idealni transformator je transformator gdje predpostavljamo da su gubici u željezu i bakru zanemarivi, da je željezo idealni vodič magnetskog toka i da je bakar idealni vodičelektrične struje, prikazano slikom 5:

Slika 5. Idealni jednofazni transformator

11. REALNI TRANSFORMATOR

Realni transformator je transformator kod kojega moramo uzeti u obzir stvarne karakteristikematerijala od kojih je transformator sastavljen. Namot transformatora obično je od bakra inije idealan vodić nego posjeduje omski otpor. Željezna jezgra je od dinamo limova ipojavljuju se gubici u željezu PFe koji se sastoje od gubitaka petlje histereze PH i gubitakavrtložnih strujaPV. Na slici 6 prikazan je jednofazni realni transformator.

Slika 6. Realni jednofazni transformator


12.

12. TRANSFORMATORSKA JEZGRA

Transformatorska jezgra predstavljaju putanju male magnetne otpornosti za zajednički fluks primara i sekundara, odnosno omogućavaju bolju spregu i bolji prenosenergije. Već je ranije pomenuto da se u jezgru transformatora javljaju gubici usled vihornih struja i gubici usled histerezisa. Histerezisni gubici su srazmjerni površinihisterezisne petlje i zato su oni, kao i zagrijevanje jezgra, utoliko već i ukoliko je veća po-vršina histerezisne petlje. Zbog toga se i zahtijeva od materiiala upotrebljenih za za izradu jezgra transformatora da imaju užu histereznu petlju.Gubici usled vihornih struja zavise od specifične otpornosti materijala jezgra i učestanosti magnetnog polja. Da bi gubici bili manji, za jezgra se koriste materijali sa velikom vrednošću specifične otpornosti: silicijumom legirani gvozdeni 1im(Fe-Si), niklomlegirani gvozdeni 1im (Fe-Ni) i feriti. Za mrežne frekvencije (50 Hz) koristi sesilicijumom 1egirani gvozdeni 1im, dok se nik1om 1egirani gvozdeni 1im upotrebljavaza audio transformatore. Feriti pokrivaju područ je visokih frekvencija. Ako se silicijum doda gvožđu, povećava se njegova omska otpornost, srazmjerno povećanju procenata silicijuma. Medutim, istovremeno se smanjuje vrijednost magnetne indukcije u zasićenju i povećava krtost materijala. Pošto veće vrednosti indukcije znače manji broj zavojaka i veće opterećenje transformatora, to se silicijum ne može dodavati u većim količinama (obično od 0,5% pa do 4% silicijuma). Za razliku od vruće valjanih Fe-Si limova, hladno valjani, orijentisani, limovi imaju manje gubitke, već u vrednost magnetne indukcije i već u magnetnu propustljivost, ali magnentne osobine takvih limova izraženije su u smeru valjanja lima nego u drugim smjerovima. To praktično znači da se prednosti orijentisanih limova mogu iskoristiti jedino kod transformatora kod kojih je indukcija u magnetnom jezgru uvek u smjeru valjanja. Transformatori sa ovakvim jezgrima imaju znatno manje gubitke, veću magnetnu indukciju, a time manje dimenzije i manju težinu u odnosu na odgovarajuće transformatore od vruće valjanih limova. U slučajevima kada su dozvoljeni samo mali gubici (precizni mjerni i mikrofonski transformatori) i kada je potrebna velika relativna propustljivost, upotrebljavaju se niklom legirani gvozdeni limovi. Ovi limovi sadrže od 36% do 80% nikla. Sa povećanjem procenta nikla u gvožđu, povećava se vrednost magnetne propustljivosti i istovremeno smanjuje magnetno polje, pri kome propustljivost dostiže maksimum.Postoji čitav spektar materijala za ove limove: permaloj (permalloy), supermaloj( supermalloy), hiperm (hyperm), anister D (anhister D- 48% Ni) itd.Feriti su nemetalni magnetni materijali ili magnetni poluprovodnici. To su jedinjenja oksida dvovalentnih metala sa oksidom gvožđa Fe2O3. Najviše su u upotrebimešoviti feriti nikla i cinka sa oksidom gvožđa. Klasična Fe-Sii Fe-Ni jezgra imaju previsoke gubitke na visokim učestanostima usled vihornih struja, pa se u tim slučajevima koriste feritna jezgra, koja imaju veliku specifičnu otpornost.


13.

12.1. Čelično jezgro

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 zagrijavaju jezgro. Uobičajeno slojevito jezgro je napravljeno od limova u obliku latiničnih slova "E" i "Ja", što im je dalo ime "EI" transformatori.Izvjesni tipovi transformtora mogu imati zazore napravljene u magnetnim putanjama da spriječe 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 magnetsko 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 naizmjenične struje. Zaštite od pregorijevanja 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.

12.2. Masivno jezgro

Jezgra od gvozdenog praha se koriste u kolima koje rade iznad glavnih učestanosti do nekoliko desetina kiloherca. Ovi materijali kombinuju visoku magnetnu permeabilnost sa visokom električnom otpornošću. Na još većim radio-učestanostima (RF), drugi tipovi jezgra su napravljeni od neprovodnih magnetnih keramičkih materijala zvanih feriti. Neki RF transformatori imaju pokretljiva jezgra koji dopuštaju namještanje koeficijenta sprege (i širinu opsega) kola.


14.

12.3. Torusno jezgro

Torusni transformatori su napravljeni oko jezgra u obliku prstena, koje je napravljeno od dugih traka od silicijumskog čelika ili permaloja obavijenih u namotaj, od gvožđa u prahu ili ferita, zavisno od radne učestanosti. Konstrukcija u obliku traka obezbjeđuje da su granice traka optimalno poravnate, povećavajući efikasnost transformatora smanjivanjem opiranja jezgra. Oblik zatvorenog prstena eliminiše vazdušne zazore ubačene u konstrukciju EI jezgara. Poprečni presjek prstena je obično kvadratnog ili pravougaonog oblika, ali su skuplja jezgra kružnog presjeka takođe prisutna. Primar i sekundar su često namotani koncentrično da prekriju cijelu površinu jezgra. Ovo smanjuje dužinu potrebne žice i takođe obezbjeđuje zaklon da smanji magnetsko polje jezgra od stvaranja elektromagnetnih interferencija.

Torusna jezgra su efikasnija od jeftinijih slojevitih EI jezgara. Druge prednosti u odnosu na {EI} - su manja veličina (za oko polovinu), manju težinu (za oko polovinu), manje mehaničko zujanje (čineći ih superiornim u audio pojačavačima), manjim spoljašnjim magnetskim poljem (oko jedne desetine), postavljanje na jedan stub i više izbora oblika. Glavna mana je veća cijena. Nedostatak konstrukcije torusnih transformatora je viša cijena po namotaju. To za posledicu ima da se torusni transformatori retko sreću iznad nekoliko kilovoltampera. Mali distribucioni transformatori mogu da iskoriste neke prednosti torusnog jezgra deleći ga i otvarajući ga, a zatim ubacujući klupko koje sadrži namotaje.

Kada se namješta torusni transformator, važno je izbjeći slučajno kratko spajanje kroz jezgro. Ovo se može desiti ako je čeličnom stubu jezgra dozvoljeno da dodirne metalne djelove sa oba

kraja, što može izazvati da opasno velika struja teče kroz stub.

13. NAMOTAJI

U većini realnih transformatora, primar i sekundar su kalemi sa više navojaka provodne žice jer svaki navojak doprinosi magnetskom polju, stvarajući veću magnetnu indukciju nego što bi samo jedan navojak uradio. Žice susjednih navojaka i raličitih namotaja moraju biti izolovane jedne od drugih. Provodni materijal korišćen za namotaje zavisi od namjene. 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 presjeka ili užastog presjeka 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.


15.

Veliki energetski transformatori takođe koriste použene provodnike, pošto čak i na malim učestanostima nejednaka raspodjela 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 dio ima drugačiji relativni položaj u cijelom provodniku. Ovo premještanje 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.

14. IZOLACIJA

Navoji moraju biti izolovani jedni od drugih da osiguraju da struja teče kroz cijeli namotaj; kratki spojevi uklanjaju nekoliko navojaka iz kola, ozbiljno remeteći rad transformatora i pregrijavajući ga. Razlika potencijala između susjednih 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 spriječilo varničenje. Transformatori takođe mogu biti potopljeni u transformatorsko ulje koji obezbjeđuje dalju izolaciju. Da bi se obezbijedilo da izolaciona moć transformatorskog ulja ne propada, kućište transformatora je kompletno oklopljeno da spriječi ulazak vlage. Ulje služi i kao sredina za hlađenje da odvede toplotu sa jezgra i namotaja.

15. 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). Namotaji energetskih transformatora su obično potopljeni u transformatorsko ulje, visoko obrađeno mineralno ulje koje mora biti stabilno na visokim temperaturama tako da mali luk ili kratak spoj neće izazvati kvar ili požar.


16.

Veliki transformatori koji se koriste u zatvorenom prostoru moraju koristiti nezapaljivu tečnost. Nekada se koristio polihlorizovani bifenil (PCB), koji nije zapaljiv i koji je vrlo stabilan. Zbog stabilnosti PCB i svoje akumulacije u prirodi, više nije dozvoljena njegova upotreba. Danas, netoksična, stabilna ulja na bazi silicijuma ili fluorovanih ugljovodonika se mogu koristiti tamo gdje troškovi zbog nezapaljive tečnosti nadoknađuju dodatnu gradnju zgrada za transformatore. Ostali manje zapaljivi fluidi kao što je kanolino ulje se mogu koristiti, ali svi fluidi otporni na vatru imaju nedostatke u performansama, cijeni ili toksičnosti u odnosu na mineralno ulje. Kućišta tranformatora hlađenih uljem mogu imati radijatore kroz koju kruži ulje prirodnim strujanjem. Vrlo veliki transformatori (snage megavata) mogu imati ventilatore, pumpe za ulje ili čak i izmjenjivače toplote između ulja i vode. Transformatori sa uljem idu na dugotrajne procese sušenja kako bi potpuno bila odstranjena vodena para pre nego što se sipa ulje za hlađenje. Ovo pomaže sprečavanje kvarova tokom rada. Transformatori sa uljem mogu biti opremljenim Buholc-relejima, uređajima za zaštitu koji reaguju na nastanak gasa u transformatoru (prateći efekat pojave električnog luka u namotajima) i isključuje transformator prije nego što dođe do težih oštećenja. Pored Buholc-releja koji se primenjuje u uljanim trensformatorima, moderniji suvi trasformatori primjenjuju elektronsku zaštitu sa temperaturnim sondama, čija se termički promjenljiva otpornost mjeri priključenim mjernim uređajem koji ima vizuelni i/ili zvučni alarm, sa dva nivoa alarmiranja, ili digitalni prikaz trenutne temperature transformatora.

16. KRAJEVI

Vrlo mali transformatori imaju kontakte priključene direktno na krajeve namotaja. Veliki transformatori mogu imati šuplje porcelanske izolatore kroz koje prolazi provodnik ne dodirujući izolator. Kod transformatora velikih napona, provodnik je izolovan impregnisanim papirom, a prostor je ispunjen uljem. Za vrlo visoke napone izolatori su izrađeni od koncentrično postavljenih bakarnih i bakelitnih prstenova i takođe je cijeli prostor ispunjen uljem.

17. ZAKLJUČAK

Kucajući ovaj rad, podjsetio sam se nekih jako bitnih stvari, koje smo u jednom od razreda davali dosta pažnje, a to su naravno „Transformatori“. Teorijskom dijelu transformatora nismo mnogo pažnje posvećivali, nije da je toliko nebitan, već su nam šeme, principi rada i hlađenja transformatora mnogo više pomagali za shvatanje, kako bi stvorili dobru viziju o tome kako funkcioniše ovaj uređaj.


17.

Literatura:

www.wikipedia.com

18.


Komentar:

Ocjena rada _____________

Odbrana rada _____________

Opšta ocjena _____________

Komisija:

Predsjednik ______________

Ispitivač ______________

Stalni član ______________

Datum: ____________

Documents

Osnovne Odlike Transformatora by Beksona