Transformatorji neposredno od proizvajalca

Transformatorji, znani tudi kot transformatorji ali pretvorniki napetosti, so električne naprave, ki zagotavljajo pretvorbo izmeničnih napetosti ali izmeničnih tokov iz ene napetostne ravni v drugo. Transformator deluje z elektromagnetno indukcijo in ima osrednjo vlogo pri oskrbi z električno energijo.

1. Pretvorba napetosti
   • Transformatorji pretvarjajo visoke napetosti, ki se uporabljajo za prenos električne energije, v nižje napetosti, ki so varne za uporabo v domovih in podjetjih. Zaradi tega so nepogrešljivi v električnem omrežju.
2. Izolacija
   • Transformatorji služijo tudi za izolacijo električnih sistemov, kar povečuje varnost. Preprečujejo, da bi se okvare ali napake razširile z enega dela sistema na druge dele.
3. Distribucija električne energije
   • Napetostni transformatorji omogočajo učinkovito distribucijo električne energije na dolge razdalje, saj zmanjšujejo izgube energije. Brez transformatorjev zanesljiva oskrba z električno energijo ne bi bila mogoča.
4. Prenos signalov
   • V komunikacijski tehnologiji se transformatorji uporabljajo za prilagajanje ravni signalov in ločevanje signalnih poti.

Transformator, pogosto imenovan tudi transformator, tokovni transformator ali močnostni transformator, je ključnega pomena za zagotavljanje varne in učinkovite uporabe električne energije.

Transformator je sestavljen iz več osnovnih sestavnih delov, ki skupaj omogočajo pretvorbo električne energije iz ene napetostne ravni v drugo. Tukaj je preprosta razlaga, kako komponente transformatorja delujejo skupaj in kako deluje.

1. Primarno navitje
   • Primarno navitje je tuljava žice, ki je povezana z vhodno izmenično napetostjo. Ko skozi primarno navitje teče izmenični tok, ustvarja spreminjajoče se magnetno polje.
2. Jedro
   • Jedro je običajno izdelano iz feromagnetnega materiala (kot je železo), ki koncentrira in prevaja linije magnetnega pretoka. Jedro ojača magnetno polje, ki ga ustvarja primarno navitje, in zagotavlja, da se magnetno polje učinkovito prenaša na sekundarno navitje.
3. Sekundarno navitje
   • Sekundarno navitje je še en navitek žice, ki sprejema magnetno polje, ki ga oddaja jedro. Elektromagnetna indukcija ustvari v sekundarnem navitju napetost, ki je odvisna od prvotne ravni napetosti. Glede na to, koliko ovojev ima sekundarno navitje v primerjavi s primarnim navitjem, se lahko napetost poveča (stopenjski transformator) ali zmanjša (stopenjski transformator).
4. Kako deluje
   • Magnetna sklopka: Ko primarno navitje napaja izmenični tok, ustvarja spreminjajoče se magnetno polje. To magnetno polje prehaja skozi jedro in doseže sekundarno navitje.
   • Indukcija: Spreminjajoče se magnetno polje ustvarja napetost v sekundarnem navitju. Ta napetost je sorazmerna s številom ovojev v sekundarnem navitju in primarnem navitju. Če ima sekundarno navitje več zavojev kot primarno, bo izhodna napetost višja (step-up). Če ima manj navitij, bo napetost nižja (korak navzdol).
   • Prenos energije: Električna energija se prenaša s primarne strani na sekundarno stran brez neposredne električne povezave med obema stranema. To omogoča pretvorbo napetosti in hkrati zagotavlja izolacijo med obema tokokrogoma.
5. Sodelovanje med sestavnimi deli
   • Primarno navitje ustvarja magnetno polje.
   • Jedro to magnetno polje prenaša na sekundarno navitje.
   • Sekundarno navitje pretvori magnetno polje nazaj v električno energijo, vendar z drugačno napetostjo, ki je odvisna od števila navitij.

To sodelovanje med sestavnimi deli omogoča transformatorju učinkovito pretvorbo izmenične napetosti, zato je nepogrešljiv sestavni del električnih omrežij in elektronskih naprav.

Obstajajo različne vrste transformatorjev, ki se uporabljajo glede na uporabo in zahteve. Tukaj je nekaj najpogostejših vrst transformatorjev:

1. močnostni transformatorji
   • Ti transformatorji se uporabljajo v sistemih za prenos in distribucijo električne energije za zmanjšanje napetosti visokonapetostnih vodov na nizko napetost, primerno za porabo. Uporabljajo se v elektrarnah, razdelilnih postajah in na različnih točkah električnega omrežja.
2. Distribucijski transformatorji
   • Ti transformatorji se uporabljajo za znižanje napetosti električnih vodov na raven, primerno za porabo v stavbah ali industrijskih obratih. Uporabljajo se v distribucijskih sistemih za dobavo električne energije v domove, pisarne in industrijske obrate.
3. Preklopni transformatorji
   • Ti transformatorji se uporabljajo v elektronskih vezjih za povečanje ali zmanjšanje napetosti. Uporabljajo se v napravah, kot so računalniki, televizorji, avdio ojačevalniki in druge elektronske naprave.
4. Izolacijski transformatorji
   • Ti transformatorji se uporabljajo za izolacijo prenosa energije med dvema električnima sistemoma in hkratno spremembo napetosti. Uporabljajo se v industrijskih aplikacijah, izolaciji in varnostnih aplikacijah.
5. Avtotransformatorji
   • Ti transformatorji imajo eno samo navitje, ki služi kot primarno in sekundarno navitje. Uporabljajo se za povečanje ali zmanjšanje napetosti in se uporabljajo v napravah, kot so regulatorji napetosti, svetilke in elektromotorji.
6. Dušilni transformatorji
   • Ti transformatorji se uporabljajo za omejevanje in nadzor pretoka toka v tokokrogih. Uporabljajo se v elektronskih vezjih, zlasti v inverterjih, usmernikih in frekvenčnih pretvornikih.

To je le nekaj primerov različnih vrst transformatorjev in njihove uporabe. Obstajajo pa še številni drugi specializirani transformatorji za posebne namene, kot so merilni in instrumentni transformatorji, impulzni transformatorji, visokonapetostni transformatorji itd.

Transformatorji so običajno izdelani v več korakih. Tu je splošni opis proizvodnega postopka:

1. Navijanje tuljav
   • Najprej se bakrene žice ovijejo okoli jedra, da nastaneta primarna in sekundarna tuljava transformatorja. Jedro je lahko izdelano iz različnih materialov, kot so železo, ferit ali drugi magnetni materiali.
2. Izolacija
   • Da bi preprečili kratke stike, so tuljave ovite z izolacijskimi materiali, kot so papir, plastična folija ali emajlirane žice.
3. Montaža
   • Navite tuljave so nameščene na jedro in pritrjene z vijaki ali drugimi pritrdilnimi elementi. Ta korak lahko vključuje tudi montažo drugih sestavnih delov, kot so radiatorji ali ohišja.
4. Testiranje in nadzor kakovosti
   • Po montaži se na transformatorjih opravijo različni preskusi, s katerimi se preverijo njihove električne lastnosti in zagotovi, da izpolnjujejo zahtevane standarde.

Materiali, ki se uporabljajo pri izdelavi transformatorjev, se razlikujejo glede na uporabo in posebne zahteve. Navajamo nekaj najpogosteje uporabljenih materialov:

1. Materiali za jedro
   • Železo ali jeklo sta zaradi svojih magnetnih lastnosti najpogostejša materiala za jedra transformatorjev. Feritna jedra se pogosto uporabljajo pri visokofrekvenčnih ali preklopnih napajalnikih.
2. Žica za navijanje
   • V večini transformatorjev se za navitje uporablja bakrena žica zaradi njene dobre prevodnosti in toplotne odpornosti. Za visokofrekvenčne aplikacije se lahko uporabljajo tudi posebne vrste žice za navijanje, kot je na primer pletena žica.
3. Izolacijski materiali
   • Izolacijski materiali, kot so papir, plastične folije, emajlirane žice ali izolacijski laki, se uporabljajo za izolacijo tuljav in preprečevanje kratkih stikov. Izbira izolacijskega materiala je odvisna od zahtev glede dielektrične trdnosti, toplotne odpornosti in drugih dejavnikov.
4. Materiali ohišja
   • Ohišje transformatorja je lahko izdelano iz različnih materialov, kot so kovina, plastika ali kombinacija obeh, odvisno od zahtev po mehanski trdnosti, zaščiti pred vplivi okolja in odvajanju toplote.

Pomembno je opozoriti, da se natančni materiali transformatorjev lahko razlikujejo glede na uporabo in industrijo.

Transformatorji imajo pomembno vlogo pri pretvorbi in prenosu energije. Uporabljajo se za povečanje ali zmanjšanje električne napetosti in s tem za izboljšanje energetske učinkovitosti pri prenosu električne energije.

Pri prenosu električne energije na dolge razdalje je učinkovitejše povečati napetost, saj se s tem zmanjša tok. Transformatorji povečajo napetost na raven visokonapetostnih vodov, da bi čim bolj zmanjšali pretok toka in zmanjšali izgube energije pri prenosu.

Ko se električna energija distribuira v stanovanjska in poslovna območja, se napetost ponovno zniža, da se lahko varno in učinkovito uporablja v gospodinjstvih in podjetjih. Za to se v transformatorskih postajah uporabljajo transformatorji.

Transformatorji so sestavljeni iz tuljav, ki so med seboj tesno povezane. Magnetna indukcija prenaša energijo z ene tuljave na drugo in ustrezno preoblikuje napetost. Transformatorji imajo zato ključno vlogo pri pretvorbi in prenosu električne energije.

Tehnologija transformatorjev je ključni element pri prenosu in distribuciji električne energije. V prihodnjih letih je mogoče pričakovati različen razvoj in trende:

Pričakuje se, da se bo učinkovitost transformatorjev še izboljšala, da bi se zmanjšale izgube energije med prenosom. K večji učinkovitosti bi lahko pripomogli novi materiali in konstrukcijske metode.

2. pametna omrežja: vse večje vključevanje obnovljivih virov energije zahteva inteligentna električna omrežja, ki omogočajo učinkovit prenos in distribucijo. Transformatorji bodo imeli pomembno vlogo pri vključevanju teh obnovljivih virov energije s prilagajanjem napetosti in nadzorom pretoka toka.

3. kompaktni transformatorji: Prostor je v urbanih območjih pogosto omejujoč dejavnik. Zato se pričakuje razvoj kompaktnih in prostorsko varčnih transformatorjev, ki bodo zmanjšali prostorske zahteve in povečali prilagodljivost pri umeščanju.

4. pametni transformatorji: Z vključevanjem senzorjev in komunikacijskih tehnologij je mogoče transformatorje spremljati in nadzorovati v realnem času. To omogoča boljše diagnosticiranje težav, preventivno vzdrževanje in optimizirano delovanje.

5. izboljšana izolacija: Izolacija transformatorjev ima pomembno vlogo pri varnosti in zanesljivosti sistema. Razvoj naprednih izolacijskih materialov in tehnologij naj bi izboljšal delovanje in življenjsko dobo transformatorjev.

6. zmanjšanje teže: Transformatorji so pogosto težki, kar lahko oteži prevoz in namestitev. Z uporabo lažjih materialov in naprednih tehnik načrtovanja bi lahko zmanjšali težo transformatorjev, kar bi olajšalo rokovanje z njimi.

7. elektronski transformatorji: Tradicionalni transformatorji temeljijo na elektromagnetni indukciji. Pričakuje se, da bodo pridobili na pomenu elektronski transformatorji, ki uporabljajo polprevodniške naprave za nadzor napetosti in pretoka toka. Ti bi lahko bili kompaktnejši, učinkovitejši in natančnejši od običajnih transformatorjev.

Ta razvoj in trendi bodo pripomogli k izboljšanju učinkovitosti, zanesljivosti in prilagodljivosti tehnologije transformatorjev ter omogočili bolj trajnosten prenos in distribucijo energije.

Proizvajalci transformatorjev po vsem svetu se v prvi vrsti ravnajo po standardih IEC 60076 in IEEE C57. Ti standardi opredeljujejo izvedbo, koordinacijo izolacije, dvig temperature, preskusne postopke in odpornost proti kratkemu stiku.

Dodatno veljajo regionalni predpisi, kot je EN 50588 za razrede izgub. Tehnične razlike se pojavljajo pri vrstah hlajenja, stopnjevalnikih in preskusnih sekvencah.

Pri uporabi visokonapetostnih transformatorjev so potrebni stopenjski izolacijski sistemi v skladu z IEC 60071 z vrednostmi BIL (Basic Insulation Level) med 75 kV in 1550 kV, odvisno od nazivne napetosti. Uporablja se izolacija iz oljnega papirja, plina SF₆ ali trdne izolacije z opredeljenimi razdaljami prehoda in odmikov.

Nadzor prehodnih prenapetosti, ki jih povzročajo stikalne operacije ali udari strele, je ključnega pomena. Koordinacija izolacije upošteva statistično pojavljajoče se prenapetosti in opredeljuje ravni zaščite z uporabo prenapetostnih odvodnikov. Meritve delnih razelektritev v skladu z IEC 60270 potrjujejo kakovost izolacije z mejnimi vrednostmi

Pretvorba energije v transformatorju temelji na elektrodinamični povezavi prek izmeničnega magnetnega polja, pri čemer se električna energija pretvori v gostoto magnetnega pretoka $B$ na primarni strani in se vrača na sekundarno stran. Za zmanjšanje izgub v železu se uporabljajo visoko prepustne, zrnato usmerjene električne plasti, ki zavirajo vrtinčne tokove pri visokih frekvencah in zaradi svoje izolacijske prevleke optimizirajo magnetno histerezo.

Poleg tega ohmske izgube v bakrenem navitju in uhajalne induktivnosti omejujejo učinkovitost prenosa energije. Z natančno geometrijo navitja ter upoštevanjem skin in proksimentalnih učinkov inženirji zagotovijo, da je stopnja sklopitve čim večja, da se zagotovita stabilno napetostno razmerje in minimalna toplotna disipacija tudi pri prehodnih pogojih obremenitve.

V navitju transformatorja je induktivnost uhajanja neposredno povezana z geometrijsko razporeditvijo navitij in razdaljo med primarnim in sekundarnim navitjem. Neenakomerna razporeditev žice ali ohlapen način navijanja povzroči, da linije magnetnega polja ne povežejo obeh tuljav, kar zmanjša učinkovitost in negativno vpliva na regulacijo napetosti ob spremembi obremenitve.

Za zmanjšanje teh parazitnih učinkov inženirji pogosto uporabljajo tehniko sendvič navitja (prepletanja), pri kateri so navitja razdeljena na več plasti in prepletena. Ta metoda zmanjša efektivno debelino prostora za navitje in optimizira magnetno povezovalno polje, kar lahko pri visokofrekvenčnih aplikacijah znatno zmanjša tako induktivnost uhajanja kot tudi kapacitete navitij.

Uporabljajo se predvsem tam, kjer je treba velike količine električne energije prenašati na dolge razdalje ali zagotavljati za industrijske visokonapetostne procese. Visokonapetostni transformatorji se uporabljajo v transformatorskih postajah za pretvorbo generatorske napetosti elektrarn v zelo visoke napetosti (do 380 kV), s čimer se zmanjša tok v omrežju in tako zmanjšajo ohmske izgube pri prenosu ($P = I^2 \cdot R$) v električnem omrežju.

Nujno potrebni so tudi v težki industriji za delovanje električnih obločnih peči ter v medicinski tehnologiji za pospeševalnike delcev in rentgenske sisteme. Na teh področjih morajo transformatorji izpolnjevati izjemne zahteve glede izolacijske odpornosti in toplotnega upravljanja, pri čemer se pogosto uporabljajo posebna izolacijska olja ali lite smole, ki zagotavljajo dielektrično varnost in učinkovito odvajanje toplote pri trajni obremenitvi.

Pri navijanju transformatorja je izolacija med plastmi in navitji ključnega pomena za preprečevanje delnih praznjenj in kratkih stikov v navitju pri visokih gradientih poljske jakosti. Inženirji morajo razred izolacije (npr. razred F ali H) prilagoditi trajni toplotni obremenitvi in uporabiti materiale, kot so poliimidne folije ali ojačani kartonski papirji. Te ovire zagotavljajo zahtevano razdaljo plazenja in zračno režo v skladu s standardom DIN EN 61558, zlasti pri visokofrekvenčnih transformatorjih z visokimi prehodnimi obremenitvami.

Poleg tega ima tehnologija impregnacije ali vakuumske enkapsulacije ključno vlogo pri odpravljanju zračnih žepov v navitju, ki bi zmanjšali odpornost proti koroni. Kombinacija emajlirane žične izolacije in dodatne zaporne izolacije določa dielektrično celovitost sistema. Natančna zasnova izolacije navitja transformatorja ob upoštevanju faktorja zapolnitve je zato bistvena za dolgoročno zagotavljanje zahtevane preskusne napetosti med primarnim in sekundarnim tokokrogom brez toplotnih ozkih grl (vročih točk).

Primeri visokonapetostnih transformatorjev so rentgenski transformatorji (50-150 kV), vžigalni transformatorji (2-15 kV), preskusni transformatorji (do 500 kV) in mikrovalovni transformatorji (2-4 kV). Bistveno se razlikujejo od nizkonapetostnih tipov.

Medtem ko nizkonapetostni, varčni, izolacijski, varnostni in toroidni transformatorji delujejo v območju 1 kV. Posebnosti: ekstremne zahteve glede izolacije (olje, SF6, vakuum), zaščita pred koronami, odpornost proti preplahu. Transformacijsko razmerje pogosto 1 : 100 do 1 : 1000 namesto 1 : 1 do 1 : 10.

ROTIMA ni klasični švicarski proizvajalec transformatorjev za energetske ali visokozmogljive transformatorje, temveč dobavitelj prilagojenih transformatorjev in induktivnih komponent za elektronske in industrijske aplikacije.

V švicarskem okolju ROTIMA deluje kot razvojni, proizvodni in distribucijski partner za specializirane transformatorske rešitve v majhnih in srednjih serijah ter tako dopolnjuje tradicionalne proizvajalce na področju močnostne elektronike.

ROTIMA inženirjem v Švici ponuja dostop do prilagojenih transformatorjev, ki so optimizirani za industrijske nadzorne sisteme, močnostno elektroniko in avtomatizacijo. Transformatorji so nabavljeni pri specializiranih proizvajalcih in testirani glede električnih parametrov, temperature in zahtev glede obremenitve. ROTIMA zagotavlja tudi tehnično svetovanje, izbere ustrezne izvedbe in različice ter jih vključi v obstoječe sisteme. Podjetje tako deluje kot povezovalni člen med proizvodno tehnologijo in praktičnimi aplikacijami za zahtevne industrijske projekte.