Prečo sa transformátory nikdy nepripájajú k jednosmerným zdrojom napájania
Transformátory sú základné elektrické zariadenia, ktoré sa spoliehajú na elektromagnetickú indukciu na dosiahnutie izolácie prúdu konverzného napätia a prenosu energie a ich konštrukčný návrh a pracovný princíp úplne závisia od charakteristík striedavého prúdu (AC), vďaka čomu sú nekompatibilné s napájacími zdrojmi jednosmerného prúdu (DC) z nasledujúcich dôvodov:
1. Jednosmerný prúd nemôže spustiť elektromagnetickú indukciu vedúcu k strate funkcie transformátora
Základný pracovný princíp transformátora je založený na vzájomnej indukcii medzi dvoma vinutiami (primárne vinutie a sekundárne vinutie) okolo spoločného železného jadra. Keď striedavý prúd prechádza primárnym vinutím, generuje v železnom jadre striedavý magnetický tok (smer a veľkosť magnetického toku sa periodicky mení so striedavým prúdom) a tento striedavý magnetický tok prerušuje sekundárne vinutie, aby vyvolal elektromotorickú silu (EMF) v sekundárnom vinutí podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie, čím sa realizuje premena napätia a prenos energie. Keď je k primárnemu vinutiu pripojený zdroj jednosmerného prúdu, jednosmerný prúd má konštantnú veľkosť a smer (žiadna periodická zmena) a tento konštantný prúd môže generovať iba statický magnetický tok v železnom jadre (magnetický tok sa časom nemení). Keďže elektromagnetická indukcia vyžaduje "zmeny magnetického toku" na vyvolanie EMF, statický magnetický tok nemôže prerušiť sekundárne vinutie, čo vedie k nulovému indukovanému EMF v sekundárnom vinutí a transformátor úplne stratí svoju funkciu premeny napätia a prenosu energie.
2. Jednosmerné napájanie spôsobuje silnú saturáciu železného jadra a nadmerný prúd vinutia
(1) Magnetická saturácia železného jadra
The iron core of a transformer is made of high-permeability silicon steel sheets which are designed to work in the linear magnetic permeability range under AC conditions. Under AC excitation the alternating magnetic flux changes periodically and the iron core magnetic density fluctuates within a safe range (usually 1.2-1.8T) to avoid saturation. When DC current is applied the static magnetic flux in the iron core will continue to increase with the DC current (following the magnetizing curve of the iron core) and since DC has no "zero-crossing" process (unlike AC which periodically resets the magnetic flux) the iron core magnetic density will quickly exceed the saturation point (typically >2T). Po nasýtení priepustnosť železného jadra prudko klesá (blízko priepustnosti vzduchu) a výrazne klesá magnetizačná reaktancia primárneho vinutia.
(2) Nadmerný primárny prúd vinutia
Pri normálnej AC prevádzke má primárne vinutie transformátora veľkú magnetizačnú reaktanciu (Xₘ), ktorá obmedzuje magnetizačný prúd na malú hodnotu (zvyčajne 2%-8% menovitého prúdu). Po pripojení k jednosmernému prúdu nasýtené železné jadro spôsobí, že sa magnetizačná reaktancia Xₘ priblíži k nule a v tomto čase je primárne vinutie ekvivalentné čistému odporovému obvodu (existuje iba jednosmerný odpor R samotného vinutia). Pretože jednosmerný odpor vinutia transformátora je extrémne malý (zvyčajne niekoľko ohmov alebo menej) podľa Ohmovho zákona (I=U/R), primárny prúd prudko stúpne na extrémne vysokú hodnotu, často desaťnásobne alebo dokonca stonásobne vyššiu ako menovitý prúd. Napríklad, ak je 10kV transformátor (primárny menovitý prúd 57,7A vinutia jednosmerný odpor 10Ω) omylom pripojený k 10kV DC zdroju, primárny prúd dosiahne I=10,000V / 10Ω=1000A (17-násobok menovitého času) a tento nadmerný prúd spôsobí vážne prehriatie a skrat vetra
3. Prehriatie a poškodenie zariadenia spôsobené DC pripojením
(1) Vyhorenie izolácie vinutia
Nadmerný jednosmerný prúd v primárnom vinutí generuje veľké množstvo tepla prostredníctvom ohrevu Joule (Q=I²Rt) a izolácia vinutia (zvyčajne smaltovaná izolácia drôtu alebo papierová izolácia) má obmedzenú teplotnú odolnosť (napr. izolácia triedy A: 105 stupňov izolácia triedy B: 130 stupňov ). V krátkom čase (sekundy až minúty) teplo generované nadmerným prúdom prekročí hranicu teplotného odporu izolácie, čo spôsobí roztavenie izolácie, karbonizáciu alebo dokonca vznietenie a povedie ku skratu medzi závitmi vinutia alebo medzi vinutím a železným jadrom.
(2) Prehriatie železného jadra
Pri jednosmernom budení bude nasýtené železné jadro produkovať abnormálne straty vírivými prúdmi a hoci sú plechy z kremíkovej ocele železného jadra potiahnuté izolačnou vrstvou na zníženie strát vírivými prúdmi v podmienkach striedavého prúdu, statický magnetický tok pod jednosmerným prúdom spôsobí, že lokálna magnetická hustota bude príliš vysoká, prerazí izolačnú vrstvu v niektorých oblastiach a vytvorí veľké vírivé prúdy. Tieto vírivé prúdy spôsobia rýchle prehriatie železného jadra, čo vedie k deformácii plechov z kremíkovej ocele alebo poškodeniu štruktúry jadra.
(3) Riziko výbuchu alebo požiaru
V závažných prípadoch môže horenie izolácie vinutia a prehriatie železného jadra vznietiť izolačný olej (v olejových{0}}transformátoroch ponorených do oleja) alebo iné organické materiály vo vnútri transformátora, čo môže viesť k výbuchu alebo požiaru, čo predstavuje vážne ohrozenie bezpečnosti energetických systémov a personálu.
4. Špeciálna poznámka: DC-konverzia DC sa spolieha na „pulzný DC“ namiesto čistého DC
Malo by sa objasniť, že niektoré výkonové elektronické zariadenia (ako sú jednosmerné transformátory v systémoch prenosu jednosmerného prúdu) môžu realizovať konverziu jednosmerného napätia, ale nepoužívajú tradičný princíp transformátora. Najprv premenia čistý jednosmerný prúd na pulzný jednosmerný prúd (alebo vysokofrekvenčný striedavý prúd) prostredníctvom výkonových elektronických spínačov (ako sú napríklad IGBT), potom pomocou vysokofrekvenčného transformátora (pracujúceho v podmienkach striedavého prúdu alebo impulzu) upravia napätie a nakoniec ho usmernia späť na jednosmerný prúd. Tento proces sa v podstate opiera o pulzné budenie „podobné AC{4}}, nie priame jednosmerné pripojenie k tradičnému transformátoru.
Záverom možno povedať, že princíp činnosti transformátora je vo svojej podstate závislý od striedavého charakteru striedavého prúdu a jeho pripojenie k jednosmernému prúdu nielenže stratí svoju základnú funkciu, ale spôsobí aj vážne prehriatie a trvalé poškodenie zariadenia. Transformátory sú preto striktne navrhnuté pre napájanie striedavým prúdom a nikdy nesmú byť pripojené k jednosmernému napájaniu