Zašto se transformatori nikada ne spajaju na istosmjerne izvore napajanja
Transformatori su osnovna električna oprema koja se oslanja na elektromagnetsku indukciju kako bi se postigla strujna izolacija pretvorbe napona i prijenos energije, a njihov strukturni dizajn i princip rada u potpunosti ovise o karakteristikama izmjenične struje (AC) što ih čini nekompatibilnim s istosmjernim (DC) izvorima napajanja iz sljedećih osnovnih razloga:
1. Istosmjerna struja ne može pokrenuti elektromagnetsku indukciju koja dovodi do gubitka funkcije transformatora
Temeljni princip rada transformatora temelji se na međusobnoj indukciji između dva namota (primarnog namota i sekundarnog namota) oko zajedničke željezne jezgre. Kada izmjenična struja prolazi kroz primarni namot, ona stvara izmjenični magnetski tok u željeznoj jezgri (smjer i veličina magnetskog toka povremeno se mijenjaju s izmjeničnom strujom) i taj izmjenični magnetski tok presjeca sekundarni namot kako bi inducirao elektromotornu silu (EMF) u sekundarnom namotu prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije, čime se ostvaruje pretvorba napona i prijenos snage. Kada je istosmjerni izvor napajanja spojen na primarni namot, istosmjerna struja ima stalnu veličinu i smjer (bez periodične promjene) i ta konstantna struja može generirati samo statički magnetski tok u željeznoj jezgri (magnetski tok se ne mijenja s vremenom). Budući da elektromagnetska indukcija zahtijeva "promjene u magnetskom toku" da inducira EMF, statički magnetski tok ne može presjeći sekundarni namot što rezultira nultim induciranim EMF-om u sekundarnom namotu i transformator potpuno gubi svoju funkciju pretvorbe napona i prijenosa energije.
2. DC napajanje uzrokuje ozbiljno zasićenje željezne jezgre i pretjeranu struju namota
(1) Magnetsko zasićenje željezne jezgre
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). Nakon zasićenja, propusnost željezne jezgre naglo pada (približno onoj zraka), a reaktancija magnetiziranja primarnog namota značajno se smanjuje.
(2) Pretjerana struja primarnog namota
U normalnom radu izmjenične struje primarni namot transformatora ima veliku reaktanciju magnetiziranja (Xₘ) koja ograničava struju magnetiziranja na malu vrijednost (obično 2%-8% nazivne struje). Kada je spojena na istosmjernu struju, zasićena željezna jezgra čini da se reaktancija magnetiziranja Xₘ približi nuli i u to vrijeme primarni namot je ekvivalentan krugu čistog otpora (postoji samo istosmjerni otpor R samog namota). Budući da je istosmjerni otpor namota transformatora iznimno malen (obično nekoliko ohma ili manje) prema Ohmovom zakonu (I=U/R), primarna struja će naglo porasti do iznimno visoke vrijednosti koja je često desetke ili čak stotine puta veća od nazivne struje. Na primjer, ako je transformator od 10 kV (primarna nazivna struja 57,7 A otpor namota DC 10 Ω) greškom spojen na 10 kV DC napajanje, primarna struja će doseći I=10,000 V / 10 Ω=1000 A (17 puta veća od nazivne struje) i ta će prekomjerna struja uzrokovati ozbiljno pregrijavanje namota u kratkom vremenu.
3. Pregrijavanje i oštećenje opreme uzrokovano DC priključkom
(1) Pregorjelost izolacije namota
Prekomjerna istosmjerna struja u primarnom namotu stvara veliku količinu topline kroz Jouleovo zagrijavanje (Q=I²Rt), a izolacija namota (obično emajlirana žična izolacija ili papirna izolacija) ima ograničenu temperaturnu otpornost (npr. izolacija klase A: 105 stupnjeva, izolacija klase B: 130 stupnjeva). U kratkom vremenu (sekunde do minute) toplina koju stvara prekomjerna struja premašit će granicu otpornosti na temperaturu izolacije uzrokujući topljenje izolacije, karbonizaciju ili čak zapaljenje i dovodeći do kratkog spoja između zavoja namota ili između namota i željezne jezgre.
(2) Pregrijavanje željezne jezgre
Pod istosmjernom pobudom zasićena željezna jezgra proizvest će abnormalni gubitak vrtložne struje i iako su silikonski čelični limovi željezne jezgre obloženi izolacijskim slojem kako bi se smanjio gubitak vrtložne struje pod izmjeničnim uvjetima, statički magnetski tok pod istosmjernom strujom uzrokovat će previsoku lokalnu magnetsku gustoću probijajući izolacijski sloj u nekim područjima i generirajući velike vrtložne struje. Ova vrtložna strujanja uzrokovat će brzo pregrijavanje željezne jezgre što će dovesti do deformacije silicijskih čeličnih ploča ili oštećenja strukture jezgre.
(3) Rizik od eksplozije ili požara
U teškim slučajevima spaljivanje izolacije namota i pregrijavanje željezne jezgre može zapaliti izolacijsko ulje (u transformatorima uronjenim-uljem) ili druge organske materijale unutar transformatora što dovodi do eksplozije ili požara koji predstavlja ozbiljnu prijetnju sigurnosti energetskih sustava i osoblja.
4. Posebna napomena: DC-DC pretvorba oslanja se na "Pulsirani DC" umjesto na čisti DC
Treba pojasniti da neki energetski elektronički uređaji (kao što su istosmjerni transformatori u sustavima istosmjernog prijenosa energije) mogu ostvariti pretvorbu istosmjernog napona, ali ne koriste tradicionalni princip transformatora. Prvo pretvaraju čistu istosmjernu struju u pulsirajuću istosmjernu struju (ili visoko{1}}frekventnu izmjeničnu struju) putem energetskih elektroničkih sklopki (kao što su IGBT-ovi), zatim koriste visoko{2}}frekventni transformator (koji radi u izmjeničnim/pulsnim uvjetima) za podešavanje napona i konačno ga ispravljaju natrag u istosmjernu struju. Ovaj se proces u biti oslanja na "AC-kao" pulsnu pobudu, a ne na izravnu DC vezu s tradicionalnim transformatorom.
U zaključku, princip rada transformatora je inherentno ovisan o izmjeničnoj prirodi izmjenične struje i njegovo spajanje na istosmjernu struju ne samo da će izgubiti svoju osnovnu funkciju, već će također uzrokovati ozbiljno pregrijavanje i trajno oštećenje opreme. Stoga su transformatori strogo dizajnirani za napajanje izmjeničnom strujom i nikada se ne smiju spajati na istosmjernu struju.