Transzformátor

A transzformátor felépítése

Az egyfázisú transzformátor két, csatolásban lévő tekercsből áll. A csatolás azt jelenti, hogy az egyik tekercs által gerjesztett mágneses erővonalak egy része áthalad a másik tekercsen. A csatolás mértékének növelése érdekében a két tekercset egymásra helyezik és vasmagra helyezik őket. A tekercsek rézből készülnek, a jó villamos vezetőképesség miatt. A vasmag jó mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyag, nagy relatív permeabilitású.

A vasmag kialakítása alapján nevezik az efféle „áram-átalakítókat” köpeny, lánc illetve toroid típusú transzformátoroknak.

A háromfázisú transzformátorok tulajdonképpen három darab egyfázisú transzformátorból állnak. A három tekercs csillag vagy delta kapcsolásban van összekötve.

A transzformátor működése

Az egyfázisú transzformátor egyik tekercsére szinuszos, váltakozó feszltséget kapcsolva a tekercsben áram indul meg. Ezt a tekercset primer oldali tekercsnek nevezzük. A primer tekercs árama mágneses teret gerjeszt a tekercs belsejében. Ennek a térnek az erővonalai metszik a másik tekercset, így abban feszültség indukálódik. Ez a tekercs a szekunder tekercs. Ha a szekunder körre fogyasztót kapcsolunk, akkor áram indul meg a körben olyan irányban, hogy a szekunder áram által keltett mágneses tér - a Lenz-törvény értelmében - csillapítani igyekszik az őt létrehozó hatást, azaz a primer áramot. Ezért ha jobban megterheljük a szekunder oldalt, a primer oldal árama is növekedni fog, hogy a vasmagban lévő fluxust fenn tudja tartani.

Legyen a primer oldali tekercs N₁ menetszámú, a szekunder oldali N₂ menetszámú. Ekkor az alábbiak érvényesek:

• A transzformátor menetszám-áttétele: a = N₁/N₂
• A primer feszültség U₁, a szekunder U₂.
• Az ideális (veszteségmentes) transzformátor feszültség-áttétele megegyezik a menetszám-áttételével: a= U₁/U₂ = N₁/N₂
• Az áramáttétel ezzel szemben: a= N₁/N₂ = I₂/I₁.
• Veszteségmentes transzformátor esetén a primer oldalon bemenő teljesítmény megegyezik a szekunder oldalon kivehető teljesítménnyel: P₁ = P₂.

A transzformátorok veszteségei

A nem ideális transzformátor veszteségekkel üzemel. A betáplált teljesítményből levonva a veszteségeket kapjuk a kivehető teljesítményt. A primer és szekunder tekercsek jó villamos vezetőképességű anyagból készülnek, de mégis van ellenállásuk. A tekercseken átfolyó áram P_t = I² * R tekercsveszteséget hoz létre, amely a rézhuzalt melegíti. Mivel ez mindkét oldalon jelentkezik, így beszélhetünk primer és szekunder tekercsveszteségről. A vasmagban is keletkezik veszteség. Mivel a transzformátort általában váltakozó feszültésggel tápláljuk, a vasmag mágnesezettségének iránya is váltakozik, periódusonként kétszer. Mivel a vas átmágnesezéséhez energia kell, így ez is veszteségként jelentkezik, amely a primer feszültség négyzetével arányos mennyiség. Az átmágnesezési - vagy hiszterézis - veszteséget úgy lehet csökkenteni, ha jobb relatív permeabilitású anyagot használunk a transzformátorban.

A vasmagban is indukálódik feszültség, mivel változó mágneses térben van. Ráadásul a vas jó villamos vezetőképességű anyag, így a belső feszültségek hatására ún. örvényáramok indulnak meg benne, amik a vas ellenállása miatt szintén melegítik a transzformátort és veszteségként jelentkeznek. Ezt a hatást úgy lehet csökkenteni, ha a vasmagot vaslemezekből állítjuk össze, így a lemezek közötti ellenállás megnövekszik és kisebb áramok tudnak kialakulni. Nagyon jó módszer a porkohászati úton előállított „vasmagok” alkalmazása, hiszen ezekben minimális az örvényáramú veszteség.