A transzformátorok teljesítményével kapcsolatos gondolatait ossza meg velünk Zoltán a következő sorokban.

Szeretnék néhány szót szólni a transzformátor teljesítményéről. Mit értünk az alatt, hogy a transzformátor teljesítménye? Vagy mit értünk egyáltalán villamos teljesítményen? A teljesítményen az egységnyi idő alatt elvégzett munkát értjük. A munka lehet pozitív vagy negatív, azaz vagy lead energiát a rendszer, vagy felvesz. Ha a transzformátor ideális és mondjuk nincs rajta terhelés, akkor az energia leadása-felvétele periodikus, azaz a meghajtó generátorból felveszi az energiát, majd visszaadja.

(Az áramszolgáltatók réme ez a jelenség, mert az oda-vissza áramló áram melegíti a vezetékeket és ez veszteség számukra.)

Tehát a teljesítmény is hol pozitív, hol negatív. Minket nem ez a teljesítmény érdekel (terheletlen trafó), hanem az, hogy mekkora terhelést (mondjuk egy erősítőt) tudunk rárakni a trafóra anélkül, hogy a kapocsfeszültség ne essen 90 % alá. Azt tudjuk tapasztalatból, hogy esik a szekunderfeszültség. Nagyjából vannak ismereteink arról is, hogy vannak veszteségek a trafóban (réz, hiszterézis, szórás, örvényáramú, stb.). De hogyan állapítsuk meg akkor egy kiszemelt trafóról, hogy az megfelelő nekünk teljesítmény-átvitel szempontjából?

A régebbi Rádiótechnika lapjain párszor már leírták, hogy hogyan kell trafót méretezni a 230 V-os 50 Hz-es hálózatra. Méretezési táblázatok vannak a huzalátmérőről, megfelelő vasmag kiválasztásáról stb. Ám egyik sem írta le, hogy miért akkora az átvihető teljesítménye egy konkrét magnak.

Van egy egyszerű képlet:

A = 1,2 * P

ahol:

Tehát a teljesítmény ismeretében meghatározhatjuk a szükséges magkeresztmetszetet. Ez a képlet 50 Hz-es trafók esetén bevált. De mi van, ha más frekvencián szeretnénk trafót használni, pl. kapcsoló üzemű tápot? A teljesítményt hogyan számoljuk ki? Miből kell kiindulni, ha nem szinuszos a meghajtás?

Ezekre a választ csak úgy kapjuk meg, hogyha kicsit mélyebbre ássuk magunkat a trafó működésének elméletében. Itt most nem írom le a primer és szekunder áram keltette folyamatokat, az üresjárati mágnesező áramot stb. Ezeket leírták már több helyen. Itt csak azt szeretném leírni, amit én hiányoltam a könyvekből és én valamilyen úton-módon megtudtam.

Az ideális trafó mindig akkora áramot képes leadni, amekkorára a terhelésnek szüksége van. Tulajdonképpen a meghajtó generátor észre sem veszi, hogy a terhelés és ő közötte van egy trafó. Az ideális trafónak az induktivitásai végtelen nagyok (persze az áttételt figyelembe vesszük: a végtelent osszuk el mondjuk 100-al). Azért jó. hogy végtelen nagyok, hogy üresjáratban ne lengjen az energia oda-vissza. A tekercsek ellenállása 0 W. Ha a tekercs mégsem végtelen induktivitású, az nem nagy baj, energialengés történik, az energia visszatáplálódik mondjuk egy puffer kondenzátorba (pl. kapcsolóüzemű táplálásnál).

A valóságos trafó nem képes akármekkora áramot átadni a szekunder körbe. Miért? Egyszerűen a veszteségek miatt. A vezetéknek van ellenállása, ami sorba kapcsolódik a tekerccsel. Ez vonatkozik a primer és a szekunder tekercsre is. Van még egy fontos vesztesége is, a szórás. Ez annak a mértéke, hogy a primer és szekunder tekercs erővonalai milyen mértékben NEM kapcsolódnak egymáshoz. Tehát nagy szórási tényező - rosszabb trafó, kisebb szórás - jó trafó. Általában a szórás elhanyagolható a többi veszteséghez képest.

Tegyük fel, hogy kiszemelünk egy pl. 4 cm2 keresztmetszetű hagyományos lemezelt trafót és 100 W-os terhelést szeretnénk a szekunderére kötni. Ennek a trafónak az átvihető teljesítménye a táblázatok szerint durván 4*4, azaz 16 W. Miért csak ennyi, nem lehetne több, mondjuk 100 W? Ha rákötjük a 100 W-os terhelést a szekunderre, a feszültség leesik.

Azért esik le, mert a tekercsek ellenállása hozzáadódik sorosan a terheléshez, és mintegy feszültségosztó működik. Ez a titka, hogy miért nem lehet átvinni 50 Hz-en többet. Ha lehűtenénk a szupravezetési hőmérsékletig, akkor ott valószínű átmenne a 100 W. Ilyet már úgy tudom, csináltak is.

A menetek számával pl. lehet csökkenteni a rézveszteséget. Ekkor azonban a működési frekvenciát kell megnövelni. Ha viszont meg kell emelni, akkor nekünk kell elkészíteni a meghajtó generátort, pl. egy impulzusgenerátort, tehát a hálózat, mint tápláló generátor nem jöhet szóba.

Ha a menetek számát nem akarjuk lecsökkenteni, hanem a vezeték keresztmetszetét növeljük meg (ezáltal is csökken az ellenállása), akkor nagyobb ablakfelületű trafó kell (ahol a vezeték keresztül megy), hogy elférjen ugyanaz a menetszám. Ám ha az ablakfelületet növeljük, akkor növekedni fog a trafó mágneses úthossza, amit a menetszám növelésével kell kompenzálni. Igazából nem jó út az ablakfelület növelése. Előbb-utóbb növekszik a szórás, ami megint az átvihető teljesítményt csökkenti. (A szórás, mint reaktancia, szintén sorba kapcsolódik a terheléssel. Szóval legjobb, ha egy értelmes kompromisszumot kötünk a mágneses úthossz és a hatásos vaskeresztmetszet között. Ezt megtették már az elődeink és megalkották az EI, M, stb. magsorozatokat.

Az előbbiekhez kapcsolódva nézzük meg, hogy képletben hogyan néz ki mindez. Az induktivitást az alábbi képlettel számolhatjuk ki:

L = m0 * mr * N2 * A / l

ahol:

A trafó számítását nem ezzel a képlettel kezdjük el számolgatni, hanem a Faraday indukciótörvénnyel, de a kialakult induktivitást így is értelmezhetjük.

Tegyük fel, hogy:

Ehhez a felületet meg kell növelni, vagy a mágneses úthosszt csökkenteni, vagy mindkettőt egyszerre, hogy az eredeti induktivitás értéke ne változzon. Ha a menetszámot nem csökkentjük, hanem mondjuk az általa képviselt ohmikus ellenállást akarjuk csökkenteni vastagabb huzallal, akkor itt a képletben semmi nem változik látszólag. Azonban nem fog elférni az ablakban a kívánt menetszám, ezért a vasmag geometriáját kell megváltoztatni (növelni), ami viszont már a képletben is visszahat. Tehát azt is mondhatjuk, hogy a transzformátor meghatározza a max átvihető teljesítményt, de nem azért, mert a magban tárolt energia kicsi, hanem azért, mert normál üzemi hőfokon a vezetékek ellenállása nagy veszteséget okoz a nagy menetszám és a kis keresztmetszet miatt.

Ha valaki meg akarja növelni a trafója teljesítményét, akkor növelje meg a meghajtó generátor frekvenciáját, és tekerjen le annak megfelelő menetet mind a szekunderről, mind a primerről. (Esetleg ha elfér, akkor alkalmazhat vastagabb huzalt is.) Ha pl. 400 Hz-re növeljük meg a frekvenciát, akkor mivel a fluxusváltozás a 8-szoros frekvencia miatt 8-szoros lesz, az induktivitás értékét a 8-ad részére lehet csökkenteni ugyanakkora feszültség indukálása végett.

A fenti képlet szerint, ha 8-ad részére akarjuk csökkenteni az induktivitást, akkor láthatjuk, hogy ennek több módja van, viszont nem mind hoz eredményt. Csak az hoz jó eredményt, aminek a végeredménye az, hogy csökken a vezeték ellenállása!

Annyit hozzátennék itt a frekvencianöveléshez, hogy a vasmag ennek következtében nagyon melegedni fog a megnövekedett örvényáramú veszteség miatt. Olyan anyagú magot válasszunk, ami ezen a frekvencián sem termel még nagy hőt, különben az átvihető teljesítményünket nem csökkenti ez a veszteség. Ez a hatásfokban játszik "csak" szerepet.
Végszóként el szeretném mondani, hogy a maximális teljesítmény átvitelében nem a vasmagban tárolt energia játszik szerepet, hanem a veszteségek. Az energiaáramlás folyamatos, a magban teljes terhelésnél sem mérhetünk nagyobb indukciót, mint üresjáratban. A leírásban végig a FORWARD, azaz nyitó üzemű trafókról írtam. Ilyenkor az energialeadás a szekunder oldalon teljesen szinkronban van a teljesítményfelvétellel a primer oldalon. A FLYBACK, azaz záró üzemű konvertereknél kőkeményen függ a vasmag nagyságától az átvihető max. teljesítmény egy megadott frekvencián.

Virág Zoltán

 

 

Utolsó frissítés dátuma: 2006 július 13.