A transzformátorokról általában
2013/7-8. lapszám | Ledneczki László | 32 362 |
Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az áramellátás egyik nélkülözhetetlen elektromos eleme a transzformátor. Ez a végtelenül egyszerű elektromos berendezés szinte minden elektromos háztartási eszközünk szerves részét képezi. A nagy ipari erőművek, elektromos hálózatok, számítógépek, adapterek, telefontöltők nélkülözhetetlen alkatrésze. Ez az eszköz felel a megfelelő energiaátvitelről, különböző elektromos jelek továbbításáról és a különböző feszültségek egymástól való elszigeteléséről.
1885-ben Déri Miksa, Bláthy Ottó Titusz és Zipernowsky Károly közösen szabadalmaztatták a találmányt (1. kép). Ez az elektromos szerkezet képes volt a rákapcsolt váltakozó elektromos feszültséget más értékekre átalakítani. Nagyon sok típusuk létezik, de az első transzformátorok felfedezése és alkalmazása első körben a villamosipari hálózatok kiépítését tette lehetővé. Méretük és alakjuk sokféle lehet, akár egészen parányi néhány centiméteres, vagy akár akkora, hogy egy egész pincehelyiséget is elfoglalhat. Tervezésük, megalkotásuk komoly mérnöki munkát igényel a méretüktől függetlenül. Működésük fizikája könnyen áttekinthető, amely az áramjárta vezetők mágnestereinek egymásra hatása, más néven a kölcsönös indukció elvén alapul. A mágneses vezető hurkokat a tekercsek képviselik, a köztük lévő elektromágneses kapcsolatot pedig a vasmag hozza létre úgy, hogy az vezeti a mágneses erővonalakat. Vasmag nélkül az elektromágneses erővonalak szétszóródnának, és elvesznének az éterben.
Az első transzformátor
Az ideális transzformátor elsődleges, más néven primer tekercsébe betáplált teljesítmény ugyanakkora, mint a másodlagos, szekunder tekercsből kivehető teljesítmény. A valóságos transzformátorok mind veszteségesek. A veszteségek a következők: a tekercs ohmos ellenállásából adódó vezetőanyag vesztesége, valamint a vasmag örvényáramú és hiszterézis-vesztesége, ezek mind hővé alakulnak a működés közben, de mindezek ellenére a transzformátorok hatásfoka megközelíti a 98%-ot. A tekercsek ohmos veszteségeinek csökkentése érdekében komoly számításokat kell elvégezni, ha túl vastag a vezető, akkor nem fér rá a csévetestre, ha pedig túl vékony, akkor nagy lesz az ellenállás, és a transzformátor le is éghet.
A vezetékeket a lehető legvékonyabban szigetelik, ezért a vezetőre zománcréteget visznek, így zománcozott rézhuzal vagy zománcozott alumíniumhuzal keletkezik. Használnak rézszalagot vagy alumíniumszalagot is az alacsonyabb feszültségű tekercsek elkészítésére, a meneteket papírral vagy műanyagszalaggal szigetelik el egymástól. A szalagos tekercselés előnye, hogy nem marad rés a menetek között, és a transzformátor magjában lévő hely teljesen kihasználható. Elkészítésekor a tekercs önhordó, ezért egy több menetből álló zománcozott huzalú második tekercs könynyen elkészíthető erre. Az alkalmazott vezető fajlagos ellenállását ismerve az ellenállás vesztesége könnyen számolható. A papírból készült szigetelés olcsó, viszont könnyen szívja a nedvességet, ezért az elkészült transzformátort kemencében kiszárítják, majd a megfelelő burkolatba helyezés után feltöltik olajjal. Az oszlopi transzformátorok is olajban úsznak, a ház külső oldalát radiátorokkal szerelik fel, így a transzformátor a veszteségeiből adódó hőmennyiséget le tudja adni a környezetnek.
A hiszterézis-veszteség egy bonyolult fogalom. A transzformátor csak változó, vagy váltakozó feszültséget képes átalakítani, emiatt a vasmagot változó mágneses tér gerjeszti. Ha a mag nehezen reagál a mágneses változásra, annak részecskéi hővé alakítják a bevitt energiát. A vas lágyítása, nem más mint fémoxidok segélyével a vas széntartalmának csökkentése vagy kiégetése a vasöntvények izzításakor. A jó minőségű mag, azaz lágyvas kis ellenállású a mágneses térrel szemben, annak átmágnesezése elenyésző energiát emészt fel. A legáltalánosabb vasmag a szilíciummal ötvözött vaslemez. A hálózati transzformátoroknál az örvényáramú veszteség csökkentése érdekében a transzformátor magja lemezekből áll. Minden lemezdarab felületét szigetelőanyaggal vonják be, ezáltal a lemezek nem érnek egymáshoz. A szilíciumötvözés növeli a vas fajlagos ellenállását, így az örvényáram értéke alacsony marad.
Nagyfrekvenciás híradástechnikai vagy kapcsolóüzemű tápegységek transzformátor- magjai porvasból készülnek, ezt porkohászati úton állítják elő. Finom porvasanyagból, szigetelőanyagból és egyéb adalékok, kötőanyagok hozzáadásával a terméket készre sajtolják, majd különleges védőgázas technikával kiégetik. Az apró porvas-részecskék miatt a vasmag nagy frekvenciákat is képes elenyésző veszteséggel átvinni. viszont itt az 50 Hz-es gerjesztési frekvencia telítésbe vezérelné a vasmagot. 20-200 KHz-es váltakozó áramra van szükség a megfelelő gerjesztéshez, ezért ezt már tranzisztorok állítják elő. Előnye, hogy több száz watt átvitele egy kisméretű, olcsó transzformátorral megoldható, a kis méret könnyű, hordozható tápegységekben, hegesztőgépekben játszik szerepet. Egy hordozható számítógép tápegységében lévő transzformátor nem nagyobb, mint egy gyufásdoboz, mégis terhelhető 100-150 W-tal. A mai modern világban már nem engedhető meg, hogy egy ilyen tápegység nyolc-tíz kiló legyen.
A transzformátor működése
A hálózati transzformátor magjának lemezelése különböző típusú és alakú lehet, akár gyűrűformát is kialakíthatunk, ezt toroid elrendezésnek és ebből származóan toroid transzformátornak nevezünk. A toroid mag egy hosszú lemez, melyet felgöngyölnek. E köré tekercselik fel a tekercseket, mivel minden egyes menetet át kell fűzni a mag közepén, ezért a nagyüzemi gyártást bonyolult tekercselőgéppel végzik. A tekercseket tartalmazó vezetéket pontosan lemérik, majd egy gyűrűscsévére tekerik fel, a gyűrűscséve nyitható, ebbe bele van fűzve a mag. A gyűrűscséve fokozatosan adagolja a vezetéket a forgása közben, ezáltal az a magra kerül át. Egy másik vezetőrendszer pedig a magot forgatja különböző görgőkön keresztül.
A legnépszerűbb lemezelési mód, az „E-I” mag. A lemezdarabokat sajtolással gyártják, ha szembe fordítunk két „E” részt, akkor a két kieső rész lesz az „I” lemezdarab, tehát a vágáskor nem termelődik hulladék. Összeszereléskor váltakozva helyezik a lemezeket a csévetestbe, így a lemezek megtartják önmagukat. A transzformátor tekercseiben a gerjesztő áram hatására feszültség indukálódik. Ha nagyobb a szekunder tekercs menetszáma, mint a primeré, akkor feltranszformálásról, ha kisebb, akkor letranszformálásról beszélünk. Léteznek leválasztó transzformátorok, itt a primer és szekunder tekercsek menetszáma azonos, ebben az esetben a bejövő földelt hálózatot függetlenítik el.
Elektromos készülékek szervizében nélkülözhetetlen, az érintésvédelem miatt. A leválasztó transzformátor kapcsai csak akkor ráznak meg bennünket, ha mindkét pontjukat egyszerre érintjük meg, míg a 230 V-os hálózatnak a fázisa akkor is ráz, ha egy kézzel hozzáérünk. Létezik egy úgynevezett takaréktrafó, melynek csak egy tekercse van. Ez a tekercs viszont le van osztva, az osztás pontján egy csúszka van, és a menetszámok arányaiban a csúszkán az aktuális feszültség mérhető. A csúszka mindig egy tekercspont kivezetéséhez ér hozzá, ezáltal a kimeneti feszültség változtatható. Kivezetett csúszógyűrűs motort is használhatunk transzformátorként, ha a forgórészt elforgatjuk, vagy egy villamos gép segítségével megforgatjuk, akkor a gyűrűkről levehető feszültség értéke és frekvenciája is változtatható. Ezt a módszert laboratóriumokban, erősáramú méréseknél használják, motorok hajtására a modern gyártósorok már frekvenciaváltókat használnak.
Nagy méretű transzformátorok esetében a bekapcsolás pillanatában nagy áramlökést tapasztalhatunk, előfordul, hogy a lakásban lévő kismegszakító automatát is leveri. Ezért például toroid transzformátoroknál lágyindító elektronikát kell beszerelni, mely egy előgerjesztést hoz létre a vasmagban, így annak felgerjedése nem okoz nagy áramlökést. A transzformátorok tekercseit soha ne zárjuk rövidre. Rövid idejű túlterhelést ugyan kibírnak, de akár a névleges áramuk 20-szorosát is képesek leadni rövidzárlat esetén. Ha nem használunk előtétet, olvadóbiztosítót kell használni. Az olvadóbiztosító mindig lomha típusú legyen, mert a bekapcsoláskor is szerepet játszó áramlökés a kisebb transzformátorok esetében is okozhat akkora áramlökést, hogy a gyorsabb vagy normál típusú biztosító kiég.
A nyitóképen Bláthy Ottó látható.
