Tri mađarska inženjera Blathy [Blati], Déri [Deri] i Zipernowski [Zipernovski] konstruirali su godine 1885. i u tvornici firme Ganz [Gane] u Budimpešti sagradili te patentirali prvi transformator. Ti prvi transformatori bili su suhi jednofazni transformatori s jezgrom prstenasta oblika i kvadratna presjeka. Priključne stezaljke bile su smještene na jednoj od dviju drvenih ploča, između kojih je bila stegnuta jezgra s namotajem. Izgled takva transformatora vidi se na sl. 1.3.
Slika 1.3. Izgled prvog transformatora
Jezgra se gradila od običnoga crnog lima, magnetske su indukcije u jezgri dosezale u najboljem slučaju 0,8 T, a specifični su se gubici kretali oko 10 W/kg pri navedenoj indukciji i frekvenciji od 50Hz.
Pojava transformatora mnogo je značila za onda mlađu elektrotehniku jake struje otvarajući joj mogućnost odvajanja prijenosa električne energije od mreža za napajanje rasvjete i elektromotora. Ondašnji uređaji istosmjerne struje imali su, naime, sa svojim pogonskim naponima vrlo malen doseg. Razmak od nekoliko stotina metara bio je za ono vrijeme već velik doseg prijenosa.
Prekoračenje tih granica bilo je moguće samo s povećanjem prijenosnog napona, a to nije bilo moguće s istosmjernim pogonima iz dva razloga. Prvi je razlog što je svako povećavanje napona istosmjernog stroja povećavalo ionako težak problem iskrenja na kolektoru, a drugi što se zbog sigurnosti ljudi nije smjelo ići na više pogonske napone električnih aparata i strojeva, pa bi trebalo odvajati prijenosne vodove od mreža napajanja, a to bi značilo da bi se prijenosni napon mogao na mjestu potrošnje snizivati. Upravo to snizivanje istosmjernog napona zadavalo je onda velike teškoće i zahtijevalo prevelika ulaganja. Radi toga, tj. radi prevladavanja upravo opisanih teškoća, transformator je došao u pravi čas.
Onda već postojeći jednofazni motori izmjenične struje bili su neuporedivo lošiji od najslabijeg istosmjernog motora, tako da je u prvo vrijeme praktična upotreba transformatora bila ograničena za napajanje instalacija za rasvjetu. Ideja Nikole Tesle o tzv. okretnom magnetskom polju (1888) omogućila je konstrukciju jednostavnoga višefaznog elektromotora koji nije imao više slabosti svoga jednofaznog prethodnika. To otkriće dalo je nov polet razvoju transformatora.
Sve veće potrebe snage transformatora zadavale su njihovim konstruktorima niz novih problema. Prvu pomoć u tom naglom povećanju snaga dobio je transformator od tehnologa koji su za gradnju njegovih jezgara stvorili silicijumom legirane i kasnije visokolegirane limove. Time je potaknuto i omogućeno nastojanje graditelja transformatora da postignu veće magnetske indukcije u jezgrama i veće gustoće struje u namotima. Magnetske indukcije koje dopuštaju hladnovaljani legirani i visokolegirani limovi kreću se od 1,4 T. Specifični gubici iznose kod legiranih limova oko 2,7 W/kg, a kod visokolegiranih još samo 1,2 W/kg, kod magnetske indukcije od 1 T i frekvencije od 50 Hz.
Povećanje magnetske indukcije u jezgri i gustoće struje u namotaju omogućile su izgradnju jačih transformatora bez osjetnog povećanja količine potrebnog željeza i bakra, ali su graditeljima zadale i nove brige. Gubici u željezu i bakru ovise upravo o indukciji i gustoći struje, a kako s povećanjem snage transformatora njegovi gubici brže rastu od povećanja linearnih dimenzija, pa prema tome i površina za odvođenje topline proizvedene gubicima, to je problem odvođenja topline gubitaka izbio na prvo mjesto. Rješenja su nađena najprije s povećavanjem razmaka između pločastih svitaka, dok nije konačno 1911. transformator doživio da bude uronjen u ulje.
Uronjavanje transformatora u ulje, prema ideji koju je slavni naš zemljak Nikola Tesla iznio u jednom od svojih patenata još 1889, omogućilo je lakše i brže odvođenje topline iz transformatora upravo zbog velikoga toplinskog kapaciteta ulja i zbog mogućnosti da se kotlu s uljem po volji povećava površina za odvođenje topline iz transformatora. To povećavanje površine odvođenja izvršeno je rebrastom izvedbom kotla ili kasnije dodavanjem kotlu rashladnih cijevi i radijatora. Iako uronjavanje u ulje nije značilo pojeftinjenje transformatora, jer je ušteda na bakru i željezu ostvarena mogućnošću povećanja gustoće struje u namotu, odnosno smanjenjem razmaka između namota, potrošena na kotao i ulje, ipak je ono donijelo još jednu veliku prednost.
Izvanredne izolacijske sposobnosti ulja omogućile su daljnje povećanje radnih napona transformatora, a to je značilo i povećanje snaga i dosega prijenosa. Daljnji razvoj transformatora kreće se u pravcu osvajanja sve većih snaga i viših radnih napona.
U tom razdoblju koje počinje negdje prije početka prvoga svjetskog rata, pa do početka drugoga godine 1939, paralelno se rješavaju i ekonomski oblici gradnje transformatora i električnih strojeva uopće. Teoretski i praktički radovi, napose iz područja ekonomike gradnje transformatora i električnih strojeva, svrstali su u toj etapi razvoja transformatora našeg zemljaka prof. dr. Milana Vidmara medu najistaknutije svjetske graditelje transformatora i elektrotehničara uopće. Iz tog razdoblja razvoja transformatora najbitniji je prijelaz s pločastog namota na cilindrički, zatim regulacija napona, posebno ona pod teretom, konstruirana 1927. u Americi, i vraćanje s upotrijebljenom gustoćom struje u namotu na granicu cca 3 A/mm2 na kojoj se održala do danas.
Pred početak drugoga svjetskog rata tehnolozi su još jednom pomogli razvoju transformatora. Pronađen je hladnovaljani legirani lim s usmjerenim kristalima koji dopušta indukcije od 1,8 T, a specifični su mu gubici samo 0,6 W/kg pri indukciji od 1 T i frekvenciji od 50 Hz. Međutim, mogućnost povećanja indukcije u željezu nije potpuno iskorištena. I s tim limom magnetske se indukcije u modernim transformatorima redovno kreću do 1,5 T. Razlog je vjerojatno u tome što se s povećanjem indukcije u jezgri kvadratno povećava brujanje transformatora i što povećanje struje magnetiziranja tog lima, pa već i relativno veoma malo, izaziva pojavu jakih viših harmoničkih članova u struji praznoga hoda transformatora. Moderni transformatori grade se već u jedinicama snage i do 360 MVA. Povećanje snage, a time i dimenzija transformatora, donijeli su još jedan problem, problem transporta. Savjestan graditelj neće dopustiti da mu transformator putuje iz tvornice na mjesto montaže bez ulja. Tome se može doskočiti tako da se za trofaznu transformaciju ponovo upotrebljavaju po tri jednofazna transformatora. Na taj se način snaga jedne jedinice smanjuje na trećinu ukupne snage, odnosno smanjuje se dimenzija, toliko važna za transport.
Zapaljivost ulja daljnji je problem koji se sve više nameće graditeljima transformatora. Zbog ekonomičnosti opskrbljivanja električnom energijom, sve se češće pojavljuje potreba da se transformator smjesti u samo težište potrošnje što, nerijetko znači, u samu halu neke tvornice, među ljude i strojeve. Zapaljivost ulja glavna je smetnja da se to ne može i ostvariti. Ili uzmimo drugi primjer. U neboderima kojih visina doseže i po nekoliko desetina katova ne može se više dobavljati električna energija niskim naponom. Prijeko je potrebno da se transformatori postavljaju na katove, a tu se, s obzirom na mnoštvo ljudi koji se mogu naći u opasnosti, ne smije dopustiti upotreba jednoga transformatora s tako zapaljivim uljem. Rješenje je djelomično nađeno pronalaskom ne-zapaljivih ulja (pyralen), ali neka druga svojstva toga novog sredstva smanjuje mogućnost primjene.
Drugo je rješenje u gradnji suhih transformatora, a tu se ponovo pojavljuju već davno svladani problemi zagrijavanja, odnosno odvođenja topline gubitaka. Da se doskoči i tome problemu; mnogo nade pružaju moderni izolacioni materijali na bazi silikona za koje je dopuštena trajna temperatura i do 180°C, prema 105°C kod klasičnih izolacionih materijala.
Transformator je danas već sasvim zrela električna naprava koje daljnji razvoj leži, po svemu sudeći, u rukama tehnologa. Bolji izolacioni materijali s višim dopuštenim radnim temperaturama i boljim izolacionim sposobnostima, specijalno s boljom dielektričnom čvrstoćom, trenutno su najpotrebniji za daljnji razvoj transformatora. U naše vrijeme transformatori se grade za snage koje dosežu od svega nekoliko vata pa do snage i od 360 MVA u jednoj trofaznoj jedinici. Radni naponi kreću se od nekoliko volti, kao npr. kod transformatora za električno zvonce (3,5 i 8 V), pa sve do napona od 420 kV i više. Energetski trofazni transformator snage 100 MVA domaće prikazuje slika. 1.4.
Slika 1.4. Energetski trofazni generator snage 100 MVA
Opisani razvoj transformatora.prvenstveno se odnosio na energetske transformatore. Paralelno s njima razvijale su se i druge vrste transformatora, kao oni za ispravljače, za zavarivanje itd
1. Opće osnove rada, osnovni podaci i povijest razvoja
1.1. Osnovne fizikalne pojave
1.2. Pogonska stanja
1.3. Osnovne jednadžbe
1.4. Podjela transformatora
1.5. Nazivne vrijednosti
1.6. Povijesni razvoj transformatora
Nema komentara:
Objavi komentar