Transformátory – úvod • elektrický stroj, který se používá na změnu

Transformátory – úvod
 elektrický stroj, který se používá na změnu velikosti hodnoty
střídavého napětí při stejném kmitočtu
 skládá se ze dvou nebo i více vinutí a magnetického obvodu
 jedno vinutí se napájí střídavým proudem, který
v magnetickém obvodu budí magnetický tok → nazývá se
vinutím primárním
 druhé vinutí, do kterého se časovou změnou magnetického
toku v magnetickém obvodu indukuje střídavé napětí se
nazývá sekundární
1 … primární vinutí
2 … sekundární vinutí
3 … magnetický obvod (jádro)
Podle použití rozdělujeme transformátory
1. energetické → (distribuční, výkonové), určené pro rozvodné
sítě
2. pecové → napájení obloukových a odporových pecí
3. svařovací → pro svařování elektrickým obloukem
4. měničové → pro napájení polovodičových měničů
5. spouštěcí → pro spouštění asynchronních motorů
6. ostatní:
 měřící → pro měření velkých proudů a napětí
 bezpečnostní → do 50 V
 trakční → napájení trolejového vedení
 lokomotivní → napájení hlavních a pomocných obvodů
na lokomotivách
Hlavní části transformátoru
a)
b)
c)
d)
magnetický obvod
vinutí
zařízení zajišťující chlazení
mechanické, konstrukční a izolační součásti
Magnetický obvod
 složen z plechů od sebe navzájem odizolovaných, aby bylo
dosaženo snížení ztrát při střídavé magnetizaci jádra
 materiál plechů se volí s ohledem na malý magnetický odpor
obvodu
 materiálem pro magnetické obvody je plech z legované oceli,
z jedné nebo z obou stran izolované → transformátorové
plechy
 rozlišujeme plechy:
a) válcované za tepla → označované Et
b) s orientovanou strukturou → označované Eo (mají menší
měrné ztráty ve směru válcování
 Izolace plechů se provádí keramickou izolací, lakem nebo
vodním sklem
 z plechových segmentů se skládá magnetický obvod
takovým způsobem, aby převážná část cesty magnetických
siločar v jádře se uskutečnila ve směru válcování materiálu,
protože v tomto směru má materiál lepší magnetické
vlastnosti
 u některých typů transformátorů pro speciální účely se
zhotovuje jádro vinuté z pásu ve tvaru písmene O, které se
potom řeže na C
 v některých zvláštních případech se vyrábějí jádra i
lisováním z práškového ferromagnetika, pro získání
potřebných magnetických vlastností
 podle konstrukčního uspořádání magnetického obvodu a
vinutí dělíme transformátory na:
1. jádrové
 existence jedné cesty, kterým se uzavírá magnetický
obvod
 výrobně jednodušší
2. plášťové
 existence dvou paralelních cest, kterými se uzavírá
magnetický obvod
 část jádra spojky, mají poloviční průřez než sloupek na
kterém je vinutí
 mají menší rozptyl magnetického toku
3. zvláštní (speciální)
Magnetické obvody transformátorů malých výkonů
 desítky až stovky VA
 magnetický obvod navržen tak, aby byla jednoduchá montáž
a co nejmenší odpad při ražení
 průřez jader je čtvercový nebo obdélníkový
a) plech M
b) plech EI
c,d) vinutá jádra
 dále používáme plechy UI
Magnetické obvody transformátorů velkých výkonů
 stavějí se nejčastěji s obvodem
a) jádrový
b) plášťový
 podle způsobu spojení jader a spojek rozlišujeme
magnetické obvody:
a) s tupým stykem
 výhodou je jednoduchá montáž a demontáž
 nevýhodou je možnost vzniku značných vířivých
proudů v místě styku a nadměrné ohřátí železa
b) přeplátované
 výrobně složitější
 ztráty jsou v nich, ale podstatně menší
 průřez jader se dělá odstupňovaný
 průřez spojky se navrhuje čtvercový, obdélníkový a nebo
s malým počtem stupňů
a) odstupňované (křížové)
b) odstupňované s chladícími kanály
 magnetický obvod se stahuje bandážemi z pevných plastů
nebo skelné pásky, popř. bandážemi z ocelových pásků
 ocelové pásky jsou izolovány od jádra a ve sponě, aby
nevytvářely závit nakrátko
Vinutí
 jsou zhotovena z měděného nebo hliníkového izolovaného
vodiče, aby měla malý elektrický odpor
 požadavky na vinutí transformátorů
a) mechanická pevnost
 vinutí musí bez poškození odolávat mechanickému
namáhání při montáži i při zkratech
b) elektrická pevnost
 izolace musí bez poškození odolávat střídavému
elektrickému napětí při jmenovitých provozních
podmínkách a také většímu fázovému namáhání při
přepětích
c) technologická proveditelnost
 výroba musí být jednoduchá a levná
d) odolnost proti tepelnému namáhání
 konstrukce vinutí musí zajišťovat dobré chlazení a
teplota izolace musí odpovídat předepsaným
podmínkám
e) ekonomika provozu
 ztráty ve vinutí musí odpovídat předepsaným
hodnotám
 malé odpory vinutí zmenšují jeho ztráty a tím zvyšují
účinnost přenosu energie, což je důležité zejména u velkých
transformátorů pro energetické účely
 pro návrh vinutí je rozhodující:
a) jmenovitý proud
 určuje průřez vodiče (popř. počet paralelních větví) a
druh profilu (kruhový, obdélníkový)
b) jmenovité napětí
 určuje druh a způsob izolace mezi závity, mezi cívkami
a mezi jednotlivými částmi vinutí transformátoru
 podle uspořádání vinutí nižšího a vyššího napětí dělíme
vinutí:
a) souosé
 blíže k jádru se umisťuje vinutí nižšího napětí
s ohledem na izolaci ke kostře
b) prostřídané
 cívky nižšího a vyššího napětí se střídají ve směru osy
jádra
 základními částmi vinutí jsou:
a) závit
 je tvořen jedním nebo několika vedla sebe umístěnými,
navzájem izolovanými paralelními vodiči
b) cívka
 je složena ze závitů, zapojených v sérii a tvořících
jeden celek
c) vrstva
 následující závity po sobě ve směru osy vinutí
d) deska
 závity zapojeny po sobě v jedné rovině, kolmé k ose
vinutí
 cívky vinutí mohou být navinuty:
a) souhlasně (cívka 1 a 3)
b) nesouhlasně (cívky 1 a 2)
 úprava vinutí
a) jednoduché vinutí souosé
b) dělené souosé vinutí
c) střídavé vinutí
 druhy cívek a vinutí
a)
b)
c)
d)
e)
f)
jednovrstvová cívka
trojvrstvová cívka
desková cívka
jednovrstvové vinutí složené ze tří trojvrstvých cívek
jednovrstvové plynulé vinutí z deskových cívek
trojvrstvé plynulé vinutí
 pravotočivá cívka
a) postup navíjení
b) trojvrstvé vinutí s protiběžnými vrstvami
c) trojvrstvé vinutí se stejným smyslem navíjení
 podle druhu soustavy, na kterou je transformátor připojen,
dělíme transformátory na:
1. jednofázové
2. trojfázové
 provedení transformátorů
A … jednofázový jádrový
B … trojfázový jádrový
C … jednofázový plášťový
D … trojfázový plášťový
1 … primární vinutí
2 … sekundární vinutí
3 … magnetický obvod
4 … spojka magnetického obvodu
5 … sloupek magnetického obvodu
 cívky jednotlivých fází primárního a sekundárního vinutí
mohou být zapojovány různým způsobem
a) do hvězdy (Y,y)
 velké písmeno znamená stranu s vyšším napětím
 malé písmeno stranu s menším napětím
b) do trojúhelníka (D,d)
c) do lomené hvězdy (z)
 používá se pouze na sekundární straně nízkého napětí
Chlazení transformátorů
 chladíme vzduchem, olejem a ve zvláštních případech
speciální nehořlavou izolační kapalinou
 druh chladiva a způsob chlazení musí být vyznačen na štítku
transformátoru
 jednotlivá písmena mají tento význam:
 druh chladiva se označuje písmeny:
O … olej
L … nehořlavá izolační kapalina
G … plyn
W … voda
S … tuhý izolant
A … vzduch
 způsob oběhu se označuje písmeny:
N … přirozený
F … nucený, neřízený
D … nucený řízený
 chlazení olejových transformátorů:
a) vlnami
b) trubkami
c) radiátory
 mezi olejovou nádrží a expanzní nádobou bývá zařazena
Buchholzova ochrana zabezpečující sledování oleje a plynů
v něm vznikajících
 schéma Bulchholzovy ochrana
při zkratu mezi vinutími vznikají bublinky plynu, které
zvednou plovák a ten sepne rtuťovým spínačem
poplašnou signalizaci
při přetlaku
Velikost indukovaného napětí
 indukované napětí v jednom závitu časovou změnou
magnetického toku je dáno vztahem
 průběh magnetického toku a jím indukovaného napětí
 indukované napětí předbíhá magnetický tok o 90º
 maximální hodnota indukovaného napětí v jednom závitu
 efektivní hodnota indukovaného napětí
√
√
√
 magnetické veličiny střídavého průběhu se udávají vždy
jejich maximální hodnotou, proto neuvádíme index „max“
√
 napětí indukovaná v jednotlivých vinutích
Převod transformátoru
 převodem transformátoru rozumíme poměr svorkových
napětí
𝒑
𝑼𝟏
𝑼𝟐
𝑵𝟏
𝑵𝟐
Napětí jsou přímo úměrná počtu závitů
 poměr proudů ve vstupním a výstupním vinutím můžeme
odvodit z rovnosti příkonů
𝒑
𝑼𝟏
𝑼𝟐
𝑰𝟐
𝑰𝟏
Proudy jsou v převráceném poměru k napětím.
 úplná rovnice převodu
 převod transformátoru se udává poměrem napětí při chodu
naprázdno, kdy lze úbytky napětí na vnitřních odporech
vstupního vinutí zanedbat
 jen u transformátorů do výkonu 5 kVA se udává poměr
napětí při jmenovitém zatížení
 výkon transformátoru jako u každého zdroje elektrické
energie střídavého proudu se udává zdánlivým výkonem
(kVA), neboť velikost činného výkonu je dána charakterem
zatížení, tzn. jeho účiníkem
 o chodu naprázdno mluvíme tehdy, jestliže je výstupní vinutí
transformátoru rozpojeno, tzn. když transformátor není
zatížen
Rozdělení transformátorů
Druh transformátoru
Spojovací
Pojízdné
Ohřívací
Pecové
Svařovací
Obloukové
Rozmrazovací
Natáčivé
Spouštěcí
Použití transformátoru
Spojují rovnoměrně systémy s různým
jmenovitým napětím.
Pro provoz na silničním, železničním
podvozku.
Pro odporový nebo indukční ohřev.
K napájení odporových obloukových
pecí.
K svařování elektrickým obloukem.
K udržování elektrického oblouku.
K rozmrazování potrubí velkým
proudem a malým napětí.
Řízení napětí nebo fázového posunu.
Ke spouštění elektrických motorů.
Nevýbušné
Oddělovací/Izolační
Bezpečnostní
Usměrňovačové
Trakční
Lokomotivní
Zkušební
Měřící
K provozu ve výbušném prostředí.
Pro napájení obvodu, které mají být
odděleny od rozvodné sítě
Na ochranu před nebezpečným
dotykovým napětím (48, 24, 12 V)
K napájení usměrňovačů, které kromě
transformace napětí zajišťují změnu
počtu fází, aby usměrněný proud měl
co nejmenší dovolené zvlnění.
K napájení trolejového vedení a
střídavé trakce.
Na lokomotivách se napájejí střídavým
proudem hlavní i pomocné obvody
Speciálně upravené například pro
zkratové zkoušky či zkoušky vysokých
napětí různých rozvodných zařízení.
Pro měření vysokých napětí a proudů.
Schématické značení transformátorů
a) odolné proti zkratu
 mají velké zkratové napětí
b) jištěné proti zkratu
 opatřeny tavnou pojistkou, nadproudovým jističem
c) oddělovací
 mají galvanicky oddělená primární a sekundární vinutí
d) přístrojové
 pro napájení přístrojů
e) zapalovací
 k zapálení plynu nebo topného oleje v topných
systémech
f) ochranné
 jako zdroje malého bezpečného napětí
1. pro hračky
 výstup max. 24 V, výkon menší jak 100 W
2. zvonkové
 výstup max. 24V, odolné proti zkratu
3. pro ruční svítilny
 ochranná izolace, izolace proti stříkající vodě
4. pro lékařské přístroje
 např. endoskop: výstup max. 6 V
Štítek transformátoru
Příklad:
Primární cívka jednofázového transformátoru má 880 závitů,
sekundární cívka 1200 závitů. Jaké napětí bude na sekundární
cívce, když primární cívku připojíme ke střídavému napětí 220
V? Jaký proud bude procházet primární cívkou, jestliže
k transformátoru máme připojen spotřebič 6 A.
Druhy transformátorů
Druh transformátoru
Spojovací
Pojízdné
Ohřívací
Pecové
Svařovací
Obloukové
Rozmrazovací
Natáčivé
Spouštěcí
Nevýbušné
Oddělovací/Izolační
Bezpečnostní
Usměrňovačové
Trakční
Lokomotivní
Zkušební
Měřící
Použití transformátoru
Spojují rovnoměrně systémy s různým
jmenovitým napětím.
Pro provoz na silničním, železničním
podvozku.
Pro odporový nebo indukční ohřev.
K napájení odporových obloukových
pecí.
K svařování elektrickým obloukem.
K udržování elektrického oblouku.
K rozmrazování potrubí velkým
proudem a malým napětí.
Řízení napětí nebo fázového posunu.
Ke spouštění elektrických motorů.
K provozu ve výbušném prostředí.
Pro napájení obvodu, které mají být
odděleny od rozvodné sítě
Na ochranu před nebezpečným
dotykovým napětím (48, 24, 12 V)
K napájení usměrňovačů, které kromě
transformace napětí zajišťují změnu
počtu fází, aby usměrněný proud měl
co nejmenší dovolené zvlnění.
K napájení trolejového vedení a
střídavé trakce.
Na lokomotivách se napájejí střídavým
proudem hlavní i pomocné obvody
Speciálně upravené například pro
zkratové zkoušky či zkoušky vysokých
napětí různých rozvodných zařízení.
Pro měření vysokých napětí a proudů.