MiniElektrikář 33. - Transformátory

Transformátory: převod,  hodinový úhel, využití,
speciální transformátory.

1. Definice

Transformátor je elektrický netočivý stroj, který umožňuje přenášet elektrickou energii z jednoho obvodu do jiného pomocí vzájemné elektromagnetické indukce. Používá se většinou pro přeměnu střídavého napětí (např. z nízkého napětí na vysoké) nebo pro galvanické oddělení obvodů.

2. Rozdělení - podle počtu fází

• jednofázový
• trojfázový
• speciální (dvě nebo více fází)

3. Rozdělení - podle konstrukce magnetického obvodu

• plášťový
• Jádrový
• Toroidní

4. Rozdělení - podle použití

• Energetické: blokový (generátor elektrárny na vedení vvn), distribuční (z vedení vvn/vn ke spotřebiteli)
• Napájecí (pro transformaci napětí nn na malé napětí)
• Bezpečnostní (jako napájecí, ale zajištěná izolační pevnost - pro nápájení obvodů ve zdravotnictví, v hračkách a v spotřebičích ve třídě III)
• Rozptylový (s magnetickým bočníkem, pro svařování, napájení výbojek a speciální aplikace)
• Regulační (autotransformátory, ferorezonanční stabilizátory,...)
• Měřicí (napěťové, proudové, kombinované)

5. Podle počtu vinutí

• Dvojvinuťový (primár, sekundár)
• Trojvinuťový (primár, sekundár, terciár)
• Vícevinuťový

6. Princip činnosti

Transformátor je měnič střídavého proudu. Skládá se ze tří hlavních částí: vinutí, magnetický obvod, izolační systém.

Primární vinutí slouží k převodu elektrické energie na magnetickou. Procházejícím proudem se vytváří magnetický tok Φ [Fí]. Tento tok je veden magnetickým obvodem (jádrem) k sekundární cívce. Účelem magnetického obvodu většiny transformátorů je zajistit, aby co nejvíce magnetických siločar procházelo zároveň primární a sekundární cívkou.

V sekundární cívce se podle principu Faradayova indukčního zákona (viz zákon elektromagnetické indukce) indukuje elektrické napětí. Proto transformátor pracuje jen na střídavý nebo pulsující proud, protože u stejnosměrného proudu se nemění magnetický tok (tj. derivace konstantního toku je nulová) a na sekundárním vinutí nevzniká žádné napětí.

Dosadíme-li do indukčního zákona dvakrát veličiny primárního a sekundárního vinutí s uvažováním, že magnetický tok je identický pro obě cívky a s uvažováním zákona zachování energie dostaneme rovnici ideálního transformátoru (bez ztrát):

,

kde U₁ je napětí na primární cívce, I₁ je proud primární cívkou, N₁ je počet závitů primární cívky. Indexem 2 jsou značeny veličiny sekundární cívky. Písmeno značí převod transformátoru při jde o snižující transformátor (napětí na sekundárním vinutí je nižší) a při je transformátor zvyšující.

7. Ztráty v transformátoru

Součet ztrát nakrátko a naprázdno dosahuje u moderních energetických transformátorů velkých výkonů (MVA) pouze 0,5 %, účinnost je tedy 99,5 %. U malinkých transformátorů převládají ztráty nakrátko (ve vinutí) řádově 10 %.

• ztráty nakrátko ("v mědi")Jsou způsobeny ohmickým odporem vodiče tvořícího vinutí primární a sekundární cívky. Vinutí je obvykle z mědi nebo hliníku. Díky průchodu proudu tímto vodičem dochází k přeměně části přenášené energie na Jouleovo teplo, které se vyzáří v podobě tepelné energie a způsobuje oteplení vinutí transformátoru. Ztráty nakrátko jsou proměnlivé podle zatížení transformátoru, tedy podle toho jak velký výkon transformátor přenáší.
  
  Ztráty nakrátko se měří při zkratovaném sekundárním vinutí (zapojení nakrátko = do zkratu) a při napájení transformátoru napětím sníženým na takovou úroveň, aby proud primárním vinutím byl roven jmenovitému proudu (a nebo se na tyto podmínky následně přepočítávají). Z tohoto měření se vypočítá napětí nakrátko, ztráty nakrátko a hodnoty prvků náhradního obvodu transformátoru: odpory vinutí R1+p^2*R2 a rozptylové toky vinutí. Napětí nakrátko je charakteristickou hodnotou transformátoru a často se udává v procentech jmenovitého napětí. Čím větší je napětí nakrátko, tím menší je proud nakrátko a tím menší jsou i ztráty ve vinutí transformátoru. Transformátory s velkým zkratovým napětím jsou měkké zdroje napětí, transformátory s malým zkratovým napětím jsou tvrdé zdroje napětí.
• ztráty naprázdno ("v železe")Jsou to ztráty především v magnetickém obvodu transformátoru. Mají tyto složky: ztráty magnetizační a ztráty vířivými proudy.
  Magnetizační ztráty jsou ztracená energie potřebná k přemagnetovávání feromagnetického materiálu při střídavém magnetování.
  Vířivý proud vzniká na principu Faradayova (Zákon elektromagnetické indukce). V tomto případě je to parazitní jev, kdy dochází k naindukování napětí v železném magnetickém obvodě transformátoru. Jelikož jde o kus materiálu je obvod uzavřen a může protékat zkratový proud - (Vířivý proud). Ten je kolmý na směr magnetického indukčního toku. Z důvodu snížení těchto ztrát se magnetický obvod vyrábí z navzájem izolovaných plechů. Vířivý proud je totiž úměrný kvadrátu plochy na které se indukuje. Rozdělíme-li tuto plochu rozplechováním např. na 100 menší obdélníkových oblastí bude v každém plechu 10 000x menší ztráta vířivým proudem. Jelikož je plechů 100 jsou celkové ztráty 100x menší než v případě magnetického obvodu z jednoho kusu.
  Ztráty naprázdno se zjišťují měřením naprázdno. Při něm je transformátor napájen do primárního vinutí jmenovitým napětím a současně má všechny ostatní svorky rozpojeny = bez zátěže (na prázdno). Činný proud vstupního vinutí je tedy spotřebován na ztráty naprázdno a můžeme je z něj snadno spočítat. Z měření naprázno určujeme: proud naprázdno, ztráty naprázdno, převod transformátoru, prvky náhradního obvodu: hlavní indukčnost, elektrický odpor odpovídající ztrátám naprázdno.
  Do těchto ztrát se započítavají i méně významné děje jako je magnetostrikce - změna mechanických rozměrů magnetického obvodu úměrná magnetickému toku. Tyto periodické změny jsou pak dobře slyšitelné jako tichý tón o dvojnásobku frekvence budícího napětí.
  Dále sem patří ztráty vířivými proudy ve vinutí transformátoru. Pro jejich snížení se i vinutí zhotovuje složením z více navzájem odizolovaných tenčích vodičů.

8. Autotransformátory

Autotransformátory jsou transformátory, u kterých se pro primární i sekundární vinutí používá stejná cívka. Z mechanického hlediska jde o cívku na železném jádře s odbočkami pro primární a pro sekundární napětí, společnou částí vinutí prochází přibližně jen I1 - I2. Nevýhodou je, že při takové konstrukci přicházíme o galvanické oddělení primárního a sekundárního napětí. Odbočka sekundárního vinutí může být realizována pomocí pohyblivého jezdce, přičemž nastavením tohoto jezdce je pak možné regulovat velikost sekundárního napětí. Tento jezdec je u některých provedení nastavován elektrickým pohonem. Autotransformátory často najdeme v elektrických laboratořích, kde se používají jako regulovatelné zdroje střídavého napětí. Používá se také v dopravě při pohonu trakčních kolejových vozidel (elektrických lokomotiv), kde je hlavní výhodou menší hmotnost tohoto typu transformátoru.

9. Hodinový úhel

 je charakteristická vlastnost zapojení trojfázového transformátoru. Jedná se o fázový posuv odpovídajících si napětí měřených od fázoru vyššího napětí k nižšímu ve smyslu sledu fází. Udává se v hodinách přičemž 1h odpovídá 30°. Schema zapojení transformátoru se označuje dvěma písmeny a hodinovým úhlem. Strana vyššího napětí se označuje velkým písmenem. Strana nižšího napětí malým písmenem.

Jednotlivá písmena označují schema zapojení vinutí: Y, y do hvězdy; D, d do trojúhelníku a písmeno z do lomené hvězdy (strana nízkého napětí při nesymetrickém zatížení). Označení zapojení transformátoru bývá doplněno znaky N nebo n, podle toho zda je vyveden střední vodič primárního nebo sekundárního vinutí.

V praxi mohou být použita ještě další schémata zapojení speciálních třífázových transformátorů.

10. Chlazení transformátorů

• vzduchem
• pevným izolantem
• olejem
• nehořlavou izolační kapalinou
• plynem
• vodou

Způsob oběhu chladiva

• přirozený
• nucený neřízení
• nucený řízený