Transformaator

Transformaator ehk trafo on elektromagnetilisel induktsioonil põhinev staatiline (liikuvosadeta) energiamuundur, mis võimaldab muuta vahelduvpinget ja vastavalt vahelduvvoolu, seejuures ilma sagedust muutmata. Transformaatori nimetus on tulnud ladinakeelsest sõnast transformare – 'muundama'. Trafo põhiosad on mähised ja südamik. Südamik moodustab magnetahela ja mähised elektriahelad. Lihtsaim trafo koosneb ferromagnetilisest südamikust ning kahest vasktraadist keritud mähisest ‒ primaarmähisest (ladina k primarius esmane) ja sekundaarmähisest (ladina k sekundarius teisene). Muundatava vahelduvvoolu energia antakse primaarmähisesse, millest see siirdub sekundaarmähisesse mähistevahelise vastastikuse induktsiooni vahendusel: primaarmähises kulgev vahelduvvool tekitab südamikus perioodiliselt muutuva magnetvoo, mis indutseerib sekundaarmähises vahelduva elektromotoorjõu. Kui sekundaarmähis ühendada energiat tarbiva elektriahelaga, läbib seda elektrivool. Sekundaarmähises kujuneva pinge ‒ sekundaarpinge ‒ suuruse määrab mähiste keerdude arvu suhe. Ideaalse (energiakadudeta) trafo korral võrdub primaarpinge ja sekundaarpinge suhe primaar- ja sekundaarmähise keerdude arvu suhtega n {\displaystyle n} , mida nimetatakse ülekandesuhteks: n = N 1 N 2 = U 1 U 2 = I 2 I 1 , {\displaystyle n={N_{1} \over N_{2}}={U_{1} \over U_{2}}={I_{2} \over I_{1}},} kus N 1 {\displaystyle N_{1}} ja N 2 {\displaystyle N_{2}} on vastavalt primaar- ja sekundaarmähise keerdude arv; U 1 {\displaystyle U_{1}} ja U 2 {\displaystyle U_{2}} ‒ primaarpinge ja sekundaarpinge; I 1 {\displaystyle I_{1}} ja I 2 {\displaystyle I_{2}} ‒ primaarvool ja sekundaarvool. Kuna võimsus peab nii primaar- kui ka sekundaarahelas olema võrdne (energia jäävuse seadus), siis muutub voolutugevus pöördvõrdeliselt pingega. Näiteks trafos, mille sekundaarmähisel on kolm korda vähem keerde kui primaarmähisel (n = N1/N2 = 3), on sekundaarahela pinge U2 kolm korda madalam ja vool I2 vastavalt kolm korda tugevam (kadudeta trafo korral). Niisugust pinget madaldavat trafot kasutatakse näiteks tugeva keevitusvoolu saamiseks. Pinget tõstev trafo on kasutusel näiteks elektrienergia edastamisel, sest siis on eesmärgiks voolutugevuse vähendamise teel vähendada ülekandeliini juhtmetes tekkivat energiakadu. Teatavasti on takistusel R soojusena hajuv võimsus P võrdeline voolu I ruuduga. Näiteks kui pinge 10-kordse ülestransformeerimise tõttu väheneb vool liinis 10 korda, väheneb energiakadu juhtmetes 100 korda. Südamiku põhiülesanne on tagada mähiste vahel hea induktiivne sidestus. Madalal sagedusel (näiteks elektrivõrgu sagedusel 50 Hz) töötav trafo südamik koosneb elektrotehnilise terase lehtedest või -lindist. Kõrgematel sagedustel (alates mõnest kilohertsist) kasutatakse peamiselt metallkeraamilist magnetmaterjali ferriiti. Magnetahela kuju järgi eristatakse sammas- ja mantelsüdamikke, mis on ristkülikukujulised. Kasutatakse ka rõngakujulisi südamikke ehk toroidsüdamikke, mille eeliseks on väike puisteväli, s.t magnetvälja väiksem hajumine südamikust väljapoole. Mantelsüdamikel on hargnev magnetahel, mis ümbritseb ka mähiseid; mõlemad mähised ‒ primaar- ja sekundaarmähis ‒ paiknevad keskmisel sambal. Sammassüdamikul on hargnematu magnetahel, kusjuures kummalegi sambale paigutatakse pool primaarmähise ja pool sekundaarmähise keerde. Niiviisi saavutatakse tugevam induktiivsidestus (võrreldes sellega, kui mähised paikneksid eraldi, nagu on kujutatud trafo põhimõtte pildil). Mähis on traadikeerdude kogum, mis moodustab elektriahela. Selles ahelas summeeritakse iga keeru elektromotoorjõudu. Trafo mähised ja ka nendega ühendatud vooluringid on galvaaniliselt eraldatud, s.t nende vahel puudub vahetu elektrijuhtivus. Ühefaasilise trafo südamikule on keritud üks primaarmähis ja üks või mitu sekundaarmähist. Kolmefaasilise trafo puhul on tegemist kolme ühesuguse keerdude arvuga mähiste gruppidega. Transformaatori eriliik on autotrafo, mille südamikul on ainult üks ühe või mitme harundiga (väljavõttega) mähis. Niisugusel trafol on osa mähisest primaar- ja sekundaarmähisele ühine: pinget madaldaval trafol on harundi(te) kaudu ühendatav ühine mähiseosa sekundaarmähis, pinget tõstval trafol primaarmähis. Ideaalsel transformaatoril puuduvad energiakaod mähistes ja südamikus. See tähendab, et mähiste takistus on võrdne nulliga ja südamiku magnetiline läbitavus on lõpmatu. Sellel juhul on primaarahela võimsus võrdne sekundaarahela võimsusega: P 1 = I 1 ⋅ U 1 = P 2 = I 2 ⋅ U 2 , {\displaystyle P_{1}=I_{1}\cdot U_{1}=P_{2}=I_{2}\cdot U_{2},} kus P1 – trafosse siseneva võimsuse hetkväärtus, P2 – trafoga muundatud võimsuse hetkväärtus. Reaalses trafos tekivad võimsuskaod mähistes ja südamikus. Mähistes tekivad vaseskaod ja südamikus rauaskaod. Kaovõimsusest tingitud kaoenergia muundub trafos soojuseks. Vaseskao võimsust väljendab valem P v = I 1 2 r 1 + I 2 2 r 2 , {\displaystyle {P_{v}}={I_{1}}^{2}{r_{1}}+{I_{2}}^{2}{r_{2}},} kus I1 ja I2 – voolud primaar- ja sekundaarmähises, r1 ja r2 – nende mähiste aktiivtakistused. Rauaskadusid põhjustavad perioodiline ümbermagneetimine (magnetiline hüsterees) ja pöörisvoolud südamiku materjalis. Pöörisvoolukadude alandamiseks koostatakse südamik spetsiaalse elektrotehnilise terase isoleerkattega lehtedest, kõrgematel sagedustel ferriidist, millel on suur eritakistus. Võimsuskadu põhjustab ka trafo magnetvoo teatava osa hajumine kasutu puistevoona. φ Trafo kasutegur: η = P 2 P 1 ⋅ 100 % = P 2 P 2 + ∑ P ⋅ 100 % , {\displaystyle \eta ={\frac {P_{2}}{P_{1}}}\cdot 100\%={\frac {P_{2}}{{P_{2}}+\sum P}}\cdot 100\%,} kus P 1 = U 1 I 1 cos  φ 1 {\displaystyle P_{1}=U_{1}I_{1}\,{\text{cos }}\,\varphi _{1}} ‒ primaaraarvõimsus; P 2 = U 2 I 2 cos φ 2 {\displaystyle P_{2}=U_{2}I_{2}\,{\text{cos}}\,\varphi _{2}} ‒ sekundaarvõimsus; ∑ P = P v + P r {\displaystyle \sum P={P_{v}}+{P_{r}}} ‒ vaseskao ja rauaskao summa. Trafode kasutegur on suur ‒ 95...99%. Et trafo siiski kadudest tingitud energia tõttu liigselt ei kuumeneks, kasutatakse õhkjahutust, jõutrafode võimsusel üle 10 MVA õlijahutust, mispuhul südamik koos mähistega paikneb spetsiaalse mineraalõliga ‒ trafoõliga ‒ täidetud paagis. Trafo põhilised kasutusvaldkonnad on energiatehnika, mõõtetehnika, signaaliedastustehnika ja võrgutoitega elektriseadmed. Elektrienergia ülekande võrkudes kasutatavaid trafosid nimetatakse jõutrafodeks. Need ühendavad erineva pingega võrguosad ühiseks elektrivarustussüsteemiks. Elektrijaamades transformeerivad jõutrafod generaatorite pinge kõrgepingeks (110, 220 või 330 kV), et energiat väiksema energiakaoga kauge maa taha üle kanda. Alajaamades muundavad trafod selle pinge jaotusvõrkude jaoks madalamaks kõrgepingeks (nt 36 kV) ja tarbija juures madalpingeks (enamasti 230 V / 400 V). Trafode võimsust väljendatakse näivvõimsuse (S = U•I) ühikuga voltamper (tähis V•A ehk VA). Jõutrafode võimsus võib ületada 1 GVA (gigavoltampri) piiri. Mõõtetehnikas kasutatakse trafosid ‒ pingetrafosid ja voolutrafosid ‒ kõrge pinge ja tugeva voolu muundamiseks näiduriistade jaoks sobivale väärtusele. Elektri- ja elektroonikaseadmete toitelülitustes ja toiteadapterites kasutatakse trafot võrgupinge (230 V) madaldamiseks elektritarvitile vajalike väärtusteni. Vahetult võrgupinget muutva massiivse trafo asemel kasutatakse tänapäevastes impulsstoitelülitustes suurel sagedusel (kuni 100 kHz) töötavat väikest trafot. Trafo eraldab ühtlasi tarviti elektrivõrgust galvaaniliselt. Samal otstarbel kasutatakse elektriohutuse tagamiseks ka spetsiaalseid eraldustrafosid ülekandesuhtega 1:1. Signaaliedastusahelates kasutatakse trafosid signaaliahelate sidestamiseks, signaalide pinge muutmiseks, signaaliahelate impedantside sobitamiseks ning võimalikult väikeste kadude ja moonutustega ülekandmiseks, samuti voolu- ja pingeimpulsside tekitamiseks või muundamiseks (impulsstrafod). Impulsstrafo Mõõtetrafo Pingetrafo Voolutrafo Sobitustrafo Eraldustrafo Kaitseväikepingetrafo Trafod Trafo konstruktsioon Põhjalik ülevaade (Denveri ülikool; inglise keeles)