Transformátor

Z Multimediaexpo.cz

Transformátor
VN transformátor z televizního přijímače s výstupním napětím 25KV.
Soubor:Schaltbild Trafo.png
Transformátor jednofázový - schematická značka
Pro obecný pojem transformátor a jeho vliv na kauzalitu viz článek Transformátor (teorie systémů).

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.

Obsah

Rozdělení transformátorů

Podle počtu fází:

  • Jednofázový
  • Trojfázový
  • Speciální (dvě nebo více fází, měniče počtu fází)

Podle konstrukce magnetického obvodu:

  • Plášťový
  • Jádrový
  • Toroidní

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, hraček a spotřebičů ve třídě III)
  • Rozptylový (s magnetickým bočníkem, pro svařování, napájení výbojek a speciální aplikace)
  • Regulační (autotransformátory, ferorezonanční stabilizátory,...)
  • Měřicí (napěťové, proudové, kombinované)

Podle počtu vinutí:

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

Popis transformátoru

Princip činnosti

Základní princip transformátoru

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) \(u_i = - N\frac{d \Phi}{dt}\) 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 idelálního tranformátoru (bez ztrát):

\(p = \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{I_2}{I_1}\),

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 \(p\) značí převod transformátoru při \(p > 1\) jde o snižující transformátor (napětí na sekundárním vinutí je nižší) a při \(p < 1\) je transformátor zvyšující.

Magnetické obvody a 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 je 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.

Vinutí

Vinutí pro malé síťové transformátory jsou zhotovována z lakovaných drátů různého průměru. Cívka se navíjí na cívkové tělísko závit po závitu a jednotlivé vrstvy vinutí jsou prokládány izolací. Povrch cívky je izolován lepenkou nebo plátnem. Většina síťových transformátorků se následně impregnuje vakuotlakovou impregnací. Čím je vinutí dimenzováno na vyšší napětí a větší proudy, tím je výroba cívek obtížnější.

Řízení napětí

  • Odbočkami na sekundárním vinutí
  • Pomocí autotransformátoru
  • Rozptylovým transformátorem

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. Schéma autotransformátoru

Paralelní chod třífázových transformátorů

Je-li potřeba dodávat větší výkon, než by mohl dodávat jediný transformátor, pak je nutno výkon do podružné sítě dodávat paralelně spojenými transformátory. Pro paralelní chod transformátorů, musí být splněny čtyři podmínky, tzv. "4 S":

  • Stejná velikost sekundárních napětí us - I zanedbatelné rozdíly napětí us způsobí velké vyrovnávací proudy mezi transformátory.
  • Stejný hodinový úhel - Vnější a vnitřní zapojení vinutí transformátoru má vliv na posun fázoru napětí mezi primárním a sekundárním vinutím. Při různých hodinových úhlech dojde mezi transfornátory k obrovským vyrovnávacím proudům - zkratu.
  • Stejný sled fází - Jednotlivé propojené fáze transformátorů musí mít stejné okamžité hodnoty napětí. Je zajištěno při napájení z jedné sítě. Pokud není dodržen sled dojde mezi transfornátory k obrovským vyrovnávacím proudům - zkratu.
  • Stejné napětí nakrátko uk (tolerance menší 10%) - Při rozdílných uk transformátorů dojde k nerovnoměrnému rozložení přenášeného výkonu. Větší trafo musí mít menší uk a menší trafo větší uk.

V případě, že transformátory pracující paraleně do společné zátěže a jsou napájeny z různých zdrojů musí mít fázory napětí stejný směr, stejnou velikost (efektivní i okamžitou) a stejný kmitočet.

Hodinový úhel

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 niššího 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 ješte další schemata zapojení speciálních třífázových transformátrů.

Chlazení transformátorů

Malé transformátory jsou obvykle chlazeny vzduchem. Velké transformátory jsou obvykle chlazeny olejem. Nové transformátory jsou vyráběny jako bezolejové. Jejich vinutí je zalito v izolační pryskyřici. Přímé vodní chlazení se nepoužívá. Voda je i při nepatrném znečištění vodivá a elektrickým proudem je rozkládána na výbušnou směs vodíku a kyslíku.

Druhy chladiv a jejich označení

  • O - oleje
  • A - vzduch
  • W - voda
  • L - nehořlavá izolační kapalina
  • G - plyn
  • S - pevný izolant

Označení způsobu oběhu chladiva

  • N - přirozený
  • F - nucený neřízený
  • D - nucený řízený

Druhy zkoušek transformátorů

Zkouší se, zda stroj vyhovuje požadavkům kladeným na jakost materiálu, konstrukci, rozměry, elektrické vlastnosti a také vhodnost pro dané použití.

Rozdělení zkoušek

Zkoušky transformátoru lze dělit podle:

  • rozsahu
  • účelu
  • počtu opakování.

Druhy zkoušek

Zkoušením transformátoru se ověřujě, zda splňuje předem známé kritérium. Zkoušky se provádějí a vyhodnocují:

  • měřením - naměřená číselná hodnota se porovnává s předepsanou hodnotou,
  • ověřením - rovnou konstatování ano/ne, například u sledu fází, kde jsou jasně dané diskrétní hodnoty.

Především teplotní zkoušky jsou časově náročné. Prováděná měření:

  • převodu napětí
  • izolačního odporu
  • odporu vinutí za studena
  • ztrát naprázdno
  • charakteristiky naprázdno
  • netočivé impedance
  • kapacity vinutí
  • ztrát nakrátko
  • hluku
  • elektrické pevnosti oleje

Prováděné prověrky:

  • kontrola fází
  • zkouška přiloženým napětím
  • zkouška indukovaným napětím
  • oteplovací
  • nárazovým napětím plnou vlnou
  • zkratová odolnost
  • nárazovým napětím kusou vlnou
  • mechanické (přepínače odboček)

Shrnutí

Transformátor může pracovat se střídavým proudem (ideálně sinusoidním) nebo se stejnosměrným proudem tepavým nebo je nutné použít měnič (např. rotační, nebo polovodičový měnič s oscilátorem). Transformátor se skládá z primární a sekundární cívky, které bývají pro zvýšení účinnosti navinuty na společném feromagnetickém jádru. Jádro bývá vyrobeno ze speciálních transformátorových plechů: např. příměsí 4% Si se omezují účinky vířívých proudů, omezují se tak ztráty v jádře a následné přehřívání, což má značný vliv na výslednou celkovou konstrukci transformátoru a nutnost chlazení. V minulosti byla např. v Praze významným výrobcem výkonových transformátorů ČKD Elektrotechnika ve Vysočanech. Poměr počtu závitů primární a sekundární cívky udává poměr vstupního napětí k výstupnímu. Pro laboratorní získávání vysokého napětí se využívá speciální Teslův transformátor. Transformátoru se konstrukcí podobá tlumivka, která je zařazována jako indukční zátěž do obvodů a někdy se využívá i jako zdroj magnetického pole pro rušení magnetických záznamů.

Související články

Související veličiny

Druhy transformátorů

Literatura

  • Faktor Zdeněk: Transformátory a tlumivky pro spínané napájecí zdroje - teorie, příklady návrhu, měření, BEN - technická literatura, 2002 ISBN 80-86056-91-0
  • Faktor Zdeněk: Transformátory a cívky - vlastnosti materiálů a efektivní návrh transformátorů, BEN - technická literatura, 2002 ISBN 80-86056-49-X
  • Josef Šavel: Elektrotechnologie - materiály, technologie a výroba v elektronice a elektrotechnice; BEN - technická literatura 2004; ISBN 80-7300-154-3
Citováno z „http://www.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/Transform%C3%A1tor“