TRASFORMÁTORY reno pro stdenty bakaláských stdijních program na FBI. Princip innosti ideálního transformátor. Princip innosti skteného transformátor 3. Pracovní stavy transformátor Transformátor naprázdno Transformátor nakrátko Transformátor pi zatížení 4. onstrkce a provedení transformátor 5. Atotransformátory 6. Mící transformátory 7. Speciální transformátory íjen 005 doc. ing. Václav Vrána
definice: Transformátory jso elektrické netoivé stroje, které možjí zmn velikosti (transformaci) stídavého naptí pi konstantním kmitot Podle pot fází je rozdljeme na jednofázové a trojfázové. Princip innosti ideálního transformátor Vysvtlíme si ho na nákres ideálního jednofázového transformátor. Magnetický obvod obvod I Φ n Pro ideální transformátor platí zjednodšení reálného stav : Z magnetického tok Φ m. I Φ σ Φ σ primární sekndární Obr. - ákres jednofázového transformátor s železným jádrem. Σ P 0, R 0, R 0, tj. celkové ztráty a inné odpory obo jso nlové.. Rozptyl je nlový ( Φ σ + Φ σ 0 ). 3. Celý magnetický tok Φ h prochází všemi závity primárního a sekndárního. Stídavý prod v primárním I vybdí stídavý magnetický Φ, který svo zmno indkje ve ch transformátor indkovaná naptí ind, závislé na velikosti kmitot primárního naptí f a ind 4,44. f. Φ m., ind 4,44. f. Φ m. kde,... poty závit primárního () a sekndámího () Φ m... maximální hodnota stídavého magnetického tok Pomr indkovaných naptí je pevod transformátor. ind ind () Z pedchozího vztah pro ideální transformátor vyplývá, že velikosti indkovaných naptí jso pímo úmrné potm závit jednotlivých a odpovídají pomr naptí a na svorkách transformátor Pi pedpoklad rovnosti píkon P a výkon P ( cos ϕ, ztráty P 0) platí: I P P. I. I I Ideální transformátor je charakterizován jediným parametrem - pevodem.
. Princip innosti skteného transformátor Sktený transformátor vychází z ideálního transformátor, doplnného o vedlejší obvodové prvky. Primární naptí je harmonické a magnetický obvod není nasycen (pracovní oblast v lineární ásti charakteristiky). Pipojením naptí na primární jím zane protékat prod I., jehož magnetizaní složka vytvoí stídavý hlavní magnetický tok Φ h, který se zavírá jádrem a rozptylové toky Φ σ a Φ σ, které se zavírají vzdchem. asovo zmno hlavního magnetického tok se indkje do závit ntí (primárního i sekndárního) indkované naptí ind dφ/dt a jehož velikost je pímo úmrná potm závit, jednotlivých, viz. kapitola.. Pipojením zátžné impedance Z na svorky sekndárního (- ) zane sekndárním obvodem protékat prod I a do zátže je dodáván výkon P.. Sktený transformátor vykazje pi své innosti inné ztráty ( P > 0) a má také rozptyl kolem (Φ σ +Φ σ > 0). 3. Pracovní stavy transformátor Transformátor naprázdno 0 I o primární sekndární Je to takový provozní stav, kdy primární je pipojeno k jmenovitém naptí a svorky sekndárního jso rozpojeny ( Z I 0 ), transformátor nedodává výkon ( P 0 ). I I 0 Píkon, který transformátor odebírá ze sít, složí ke krytí ztrát naprázdno, které jso v železném jáde a ve. Mením naptí pi stav naprázdno se rje pevod transformátor 0 Transformátor nakrátko I k Sekndární je spojeno nakrátko bezimpedanní spojk ( Z 0 0,. Zkratový prod je omezen poze impedancí obvod - impedancí nakrátko. 0 I k primární sekndární I Z Z 0 0 Obr, áhradní schéma Z Z I (Ω) Velikost impedance nakrátko Z : 3
a je tvoena: Z R + j Xο R + R + j( Xο + Xο ) Poznámka: Parametry sekndárního se msí pepoítat na primární stran (na stejný poet závit), což se provádí pomocí napového pevod transformátor. Hodnota impedance nakrátko Z je malá, nebo je tvoena malými hodnotami parametr R, R, X σ a X σ. Prod I je mnohonásobn vtší než I (7 až 35 krát) a je pro transformátor velice nebezpený. Celý odebíraný píkon nakrátko P, se mní v inné ztráty P (Joleovy ztráty ve ), piemž ztráty v železe jso zanedbatelné. J e t o nejnepíznivjší stav transformátor!! Pomrné naptí nakrátko, % Pi jeho zjišování mením se postpje tak, že pi stav transformátor nakrátko se sníží primární naptí na hodnot, pi niž prod odebíraný ze sít má hodnot I I ( transformátor se nepoškodí). Z I Z Z (-) ; % 00 00 (%) Z I Z Z Pomocí % ríme velikost skteného stáleného zkratového prod. I I 00 (A) % Joleovy ztráty rosto s drho mocnino prod, proto trvalý zkratový prod psobí na transformátor destrktivními úinky, kterým zabrajeme rychlým odpojením transformátor od sít. Transformátor pi zatížení Jso teoreticky všechny ostatní stavy, vyjma stav naprázdno a Z nakrátko. I. - Z.. Obr, Zjednodšené náhradní schéma Vzájemné fázové pomry naptí a prod lze zobrazit v tzv. fázorových diagramech a pibližn závisí na charakter a velikosti zatžovací impedance Z, ( 0 < Z < ) a parametrech R a X obo. Zatžovací charakteristika transformátor Je grafická závislost f (I ) pi cosϕ konst, a je velmi dležitá a dává velikost vnitního úbytk naptí na transformátor a velikost zkratového prod na sekndární stran. 4
naptí naprázdno 0 rozptylové transformátory síové transformátory I I I Obr.8 - Srovnání zatžovacích charakteristik rozptylových a síových transformátor. Tvrdost (sklon) charakteristiky závisí na velikosti naptí (impedance) nakrátko % a úiník cosϕ. árkovan je zakreslena zatžovací charakteristika rozptylového transformátor, jako zdroje konstantního prod, požívaného pro oblokové svaování nebo k napájení výbojek. Prod nakrátko I je zde poze nepatrn vyšší než I oproti bžném transformátor, kde tvoí nkolikanásobek. Úinnost transformátor dává se vztahem P P P P η 00 ( %) P P P kde P P Fe + P C (W)... ztráty v transformátor P. I. cosϕ (W)... inný píkon transformátor P. I. cosϕ (W)... inný výkon transformátor V technické praxi se dosahje bžných transformátor úinnosti 85 až 99 % ( transformátory vtších výkon mají vyšší úinnost). Úinnost je závislá na velikosti zatížení a klesá úmrn s velikostí zatížení. 4. onstrkce a provedení transformátor Základními fnkními ástmi jso magnetický obvod (jádro), a systém chlazení. Jádro bývá složeno z transformátorových plech, tlošky 0,5 a 0,35 mm (pro f 50 Hz), k zamezení ztrát víivými prody jso plechy navzájem izolovány lakem nebo nevodivo oxidaní vrstvo. Chlazení transformátor se zpravidla provádí vzdchem nebo olejem, vtších a velkých výkon s nceno cirklací. V energetických sostavách se pro rozvod elektrické energie požívají trojfázové transformátory, které bývají asto z hlediska konstrkního, bezpenostního a ekonomického rozdleny do nkolik výkonových jednotek (nap. místo jednoho transformátor se požijí dva s poloviním výkonem, a pi porše jednoho z nich, drhý zajišje provoz). Transformátorové jednotky jso asto zapojovány paraleln, což je podmínno stejnými parametry (napový pevod, naptí nakrátko, výkon). 5
5. Atotransformátory I b b I I. - I I I. a II. I + I a II. I + I c c a) pro snižování naptí b) pro zvyšování naptí Obr.9 - Zapojení atotransformátor Mají poze jedno, jehož ást je spolená pro primární i sekndární obvod. Oba obvody, na rozdíl od bžných transformátor, jso spojeny nejen magneticko, ale i elektricko vazbo. Proto se atotransformátor nesmí požít k oddlení obvod mezi vysokým a nízkým naptím, nebo nízkým a malým naptím (pi peršení na sekndární stran je na výstp primární naptí) Požívají se asto jako reglaní (svorka je pipojena pomocí klzného kontakt na obnažené ) k ízení velikosti naptí a to obvykle jako snižovací (obr. 9a) nebo i zvyšovací (obr. 9b) v jednofázovém i trojfázovém provedení. 6. Mící (pístrojové) transformátory Patí k píslšenství k mících pístroj. Pevádjí velká stídavá naptí a velké stídavé prody na hodnoty, vhodné pro mící pístroje, pi soasném galvanickém oddlení obvod mícího pístroje od meného obvod. Mící pístroje se do obvod nezapojjí pímo, ale pes mící transformátory - mící transformátor naptí (MT) - nj je primární (velký poet závit) paraleln pipojeno k meném obvod s vysokým naptím (nebo i jiným) a sekndární (malý poet závit) k voltmetr s velkým vnitním odporem R V, aby MT pracoval jako pi stav naprázdno. Mené naptí (nap. vn) Pomocí MT mené naptí ríme : m M primár sekndár n > V R iv >> 0 Jmenovité sekndární naptí transformátor (na stran voltmetr) bývá obvykle 00 V. Obr. 0 - MT 6
- mící transformátor prod ( MTP) - primární (malý poet závit, zpravidla jeden) je zapojeno do série s meným obvodem a sekndární (velký poet závit) je pipojeno k ampérmetr s co nejmenším vnitním odporem R i, aby MTP pracoval ve stav nakrátko. I L k I A R i 0 Obr. Zapojení MTP l zkratova I I I I > Jmenovitý sekndární prod transformátor (na stran ampérmetr ) I je 5, resp. A. MTP moho mít nkolik výstp i pro jistící pístroje. MTP bývá doplnn zkratovaem, nebo se výstpní svorky nesmí nikdy rozpojit! MT a MTP lze požít i pro mení inného výkon wattmetrem, MT v napovém a MTP v prodovém obvod wattmetr. Zmený inný výkon se pak rí : P. I. P (W) 7. Speciální transformátory rom transformátor s popsanými vlastnostmi se konstrjí i takové transformátory, které mají odlišné vlastnosti. Pecní transformátory složí k vytápní tavících, žíhacích, kalících, smaltovacích a sšících pecí. Dlíme je na a) odporové - topné odporové lánky jso pipojeny na ízené naptí sekndárního, b) oblokové - transformjí vysoké naptí na nízké o velikosti desítek volt, potebné k zapálení a k hoení elektrického oblok. a stran nízkého naptí jso prody až statisíc ampér, proto se ízení naptí provádí na primární stran c) indkní - sekndárním m je tektý prstenec zahívané látky - kov. Primární je podobné jako bžného transformátor. Pro menší ohívané pedmty se požívají kmitoty 0 khz Svaovací transformátory jso reny ke svaování kov.pro oblokové svaování se požívá tzv. rozptylový transformátor s mle zvtšeným rozptylem pomocí jader vložených do rozptylových drah, nebo vzdchových mezer v magnetickém obvod.. zapálení oblok je teba sekndární naptí 80 V až 00 V a pro hoení jen 0 V až 30 V. Transformátor se tom msí rychle pizpsobit, piemž se nesmí píliš mnit svaovací prod. Zvtšeným rozptylem vzroste reaktanní úbytek, výstpní naptí klesne a prod se jen málo zmní viz.obr.8. Odporové svaování na tpo, bodové nebo švové spoívá v tom, že na svaované místo psobíme krátkodob zkratovým prodem ka až 00 ka. dosažení tchto vysokých prod (i když krátkodobých) je ntná co nejmenší reaktance transformátor i pívod. a sekndární stran bývá zpravidla poze jeden závit. Velikost svaovacího prod se mní pepínáním odboek na primární stran. Požitá literatra: Stýskala V.: Transformátory - ební texty pro inženýrské stdim, Ostrava 998 7