Přednáška č. 9. Transformátory | Webové stránky distančního vzdělávání – MOODLE KNRTU (KKhTI)
Transformátory jsou zařízení pro přenos elektrické energie střídavého proudu z jednoho obvodu do druhého pomocí elektromagnetické indukce. Konstrukce transformátorů je založena na skutečnosti, že v přítomnosti indukční vazby mezi elektrickými obvody jakákoli změna proudu v jednom z nich způsobí indukované emf v druhém.
Transformátor se skládá z železného jádra a dvou nebo více vinutí izolovaného drátu. Vinutí připojené ke zdroji střídavého proudu se nazývá primární vinutí. Vinutí, ve kterém je indukované emf indukováno, se nazývá sekundární. K sekundárnímu vinutí je připojena zátěž. Sekundární vinutí nemusí být jedno, ale několik. Na obrázku je schematicky znázorněn transformátor se dvěma vinutími, jedním primárním a jedním sekundárním.
Při průtoku střídavého proudu závity primárního vinutí vzniká v železném jádru transformátoru střídavé magnetické pole. Silové vedení tohoto pole, křižující závity sekundárního vinutí, v nich indukují indukované emf. Železné jádro v transformátoru slouží ke zvýšení magnetického toku, čímž se zvyšuje indukční vazba mezi vinutími.
Transformační poměr
Podívejme se nyní, jak spolu souvisí vstupní napětí U1 a výstupní napětí U2. Nechť Ф je magnetický tok v jádře. V případě, že se střídavý proud mění podle sinusového zákona a magnetizace jádra je daleko od nasycení, bude se tento magnetický tok také měnit přibližně podle sinusového zákona: kde w – úhlová frekvence střídavého proudu a Ф – maximální hodnota průtoku (jeho amplituda). U skutečných transformátorů část indukčních čar vytvořených primárním vinutím opouští jádro a uzavírá se mimo sekundární vinutí, čímž vzniká tzv. únikový tok (viz obrázek). U dobrých transformátorů je však svodový tok malý ve srovnání s tokem uvnitř jádra, a proto budeme předpokládat, že stejný tok Φ proniká oběma vinutími. Emf vznikající v primárním vinutí (samoindukční emf) se rovná
,
a EMF v sekundárním vinutí
kde w 1 и w 2 – počet závitů primárního a sekundárního vinutí. Rozdělme tyto výrazy mezi sebou:
Poměr počtu závitů vinutí transformátoru se nazývá transformační poměr. ukazuje, jak souvisí hodnoty EMF sekundárního a primárního vinutí.
Pokud je obvod sekundárního vinutí transformátoru otevřený (režim bez zátěže), pak se napětí na svorkách vinutí rovná jeho EMF: a napětí zdroje energie je téměř zcela vyváženo EMF primární vinutí. Proto to můžeme napsat
To znamená, že transformační poměr ukazuje, kolikrát je sekundární napětí větší než primární napětí v režimu naprázdno (s otevřeným sekundárním vinutím).
Vzhledem k vysoké účinnosti transformátoru můžeme předpokládat, že , kde se odebírá výkon ze sítě; – napájení přiváděné do zátěže.
Poměr proudů primárního a sekundárního vinutí se přibližně rovná transformačnímu poměru, tedy proudu I 2 kolikrát se zvýší (sníží) a kolikrát se sníží (zvětší) U 2 .
Koeficient výkonu
Přestože je účinnost transformátoru velmi vysoká, nikdy nemůže být rovna 100 %, protože není možné sestrojit transformátor, ve kterém by nedocházelo k žádným ztrátám. Vinutí transformátoru má vždy nějaký činný odpor, a proto je proud procházející vinutím ohřívá. Energetické ztráty v důsledku ohřevu vinutí se nazývají ztráty mědi P м .
Část energie magnetického pole primárního vinutí se vynakládá na periodické převracení (při frekvenci střídavého proudu) elementárních magnetů v železném jádru transformátoru, v důsledku čehož se jádro transformátoru také zahřívá. Tyto ztráty se nazývají hysterezní ztráty.
V jádru transformátoru jsou indukovány vířivé proudy (Foucaultovy proudy), také ohřev jádra. Hystereze a ztráty vířivými proudy se nazývají ztráty v oceli P с .
Tedy účinnost transformátoru
Nejvyšší účinnost transformátoru bude při zátěži, při které se ztráty v oceli rovnají ztrátám v mědi. Pro snížení ztrát v oceli z hystereze jsou jádra transformátorů vyrobena z plechu transformátorové oceli obsahující až 5 % křemíku.
Pokud jde o ztráty vířivými proudy, pro jejich snížení jsou jádra transformátorů vyrobena ze samostatných plechů železa o tloušťce 0,3–0,5 mm, které jsou navzájem izolované papírem nebo vrstvou laku.
Ztráta výkonu v měděných vinutích je určena vzorcem a závisí na zatížení transformátoru. Pro snížení těchto ztrát snižte aktivní odpor r 1 и r 2 vinutí, zvětšující průřez měděného drátu vinutí na určitou mez. Účinnost transformátoru závisí na zatížení a dosahuje 98–99 %.
Třífázové transformátory proudu
K transformaci třífázového napětí lze použít tři samostatné jednofázové transformátory, jejichž vinutí jsou zapojena do hvězdy (viz obrázek) nebo do trojúhelníku.
Ale může být také použit jeden třífázový transformátor se třemi tyčemi, na každé z nich jsou namontována nízkonapěťová a vysokonapěťová vinutí první, druhé a třetí fáze.
Takový třífázový transformátor je schematicky znázorněn na obrázku.
Princip činnosti a elektromagnetické procesy v třífázovém transformátoru jsou podobné těm, které byly diskutovány dříve. Charakteristickým rysem třífázového transformátoru je závislost transformačního poměru lineárních napětí na způsobu připojení vinutí.
Existují především tři způsoby připojení vinutí třífázového transformátoru: 1) spojení primárního a sekundárního vinutí hvězdou; 2) spojení primárních vinutí s hvězdou, sekundárních vinutí s trojúhelníkem; 3) spojení primárních vinutí trojúhelníkem, sekundárních vinutí hvězdou.
Podobně jako proudy při spojování primárního a sekundárního vinutí do hvězdy se magnetický tok v transformátoru, jdoucí podél jedné tyče, uzavírá přes další dvě a zapadá do ostatních dvou vinutí.
V třífázovém vedení je pro každý časový okamžik součet dvou proudů roven třetímu proudu s opačným znaménkem (součet všech tří proudů je tedy vždy nula). Stejně tak součet magnetických toků procházejících dvěma tyčemi je vždy roven magnetickému toku třetí tyče s opačným znaménkem. To umožňuje, aby se magnetické toky každé z tyčí uzavřely přes další dvě tyče.
Počet konců vinutí třífázového transformátoru je 12. U transformátorů vyráběných v továrnách jsou však tři konce vinutí vysokého napětí a tři nebo čtyři konce vinutí nízkého napětí vyvedeny (čtvrtý konec je neutrální bod hvězdy).
Vysokonapěťové svorky jsou označeny velkými písmeny А, В, С. Nízkonapěťové svorky – stejná písmena, ale malá (malá), tzn. а, b , c . Neutrální (nulový) bod je označen písmenem О. Stejná písmena odpovídají stejným fázím, tj. vinutí navinutá na stejné tyči.
Autotransformátory
Někdy je sekundární vinutí transformátoru součástí primárního vinutí nebo naopak část sekundárního vinutí je primární. V tomto případě se transformátor nazývá autotransformátor (viz obrázek). V tomto případě je energie přenášena z primárního okruhu do sekundárního okruhu jak pomocí magnetického toku uzavřeného přes magnetický okruh, tak přímo přes vodiče.
Elektrické zapojení primárního a sekundárního okruhu zvyšuje nebezpečí při provozu zařízení, protože pokud dojde k poruše izolace v autotransformátoru, může se obsluha ocitnout pod vysokým napětím v primárním okruhu.
Jeden z kontaktů autotransformátoru je často mobilní. Proto se autotransformátory používají ke spouštění výkonných střídavých motorů, regulaci napětí v osvětlovacích sítích a také v jiných případech, kdy je potřeba plynule měnit napětí v malých mezích.
Výhodou autotransformátoru oproti transformátoru o stejném užitečném výkonu je nižší spotřeba aktivních materiálů – vinutí drátu a oceli, nižší energetické ztráty, vyšší účinnost a menší změny napětí při změně zátěže.
Spolu s výhodami autotransformátorů oproti transformátorům mají významné nevýhody: malá zkratová odolnost, která má za následek vysokou multiplicitu zkratového proudu; možnost vstupu vysokého napětí do sítě nízkého napětí v důsledku elektrického spojení mezi těmito sítěmi. Přítomnost elektrického spojení mezi sítí zdroje energie a přijímače znemožňuje použití autotransformátoru v případě, kdy má přijímač energie uzemněný pól (v usměrňovacích zařízeních).
Otázky pro sebeovládání:
1. Vysvětlete princip činnosti transformátoru.
2. Popište konstrukci transformátoru.
3. K čemu slouží transformátory?
4. Jaký tvar mají magnetická jádra jednofázových transformátorů?
5. Které parametry transformátoru se nazývají primární a které sekundární?
6. Jaký je transformační poměr transformátoru a jak se určuje?
7. Které součástky tvoří ztrátový výkon v transformátoru?
8. Při jaké zátěži má transformátor největší účinnost?
9. Jak jsou zapojena vinutí třífázových transformátorů?
10. Jak autotransformátory fungují ak čemu se používají?
11. Jaké jsou výhody a nevýhody autotransformátoru ve srovnání s transformátory?
Pojďme zjistit, co je transformační koeficient. V podstatě se jedná o technickou veličinu. Všechno je to o následujícím. Aby bylo možné zohlednit elektřinu spotřebovanou velkým zařízením (jako je obytná výšková budova), je nutné použít specializované zařízení, které snižuje napěťový výkon přenášený na kontakty běžného měřiče budovy.
Tato měřící zařízení nejsou napojena přímo na elektrickou síť domu, z důvodu nemožnosti připojení vysokého napětí přes klasické měřidlo s přímým připojením (nepracují s vysokými proudy).
Aby nedocházelo k poruše měřiče, je nutné snížit výkon dodávaného napětí.
Pro tyto účely se používají transformátory, které se vybírají na základě požadované úrovně zatížení.
Transformační poměr elektroměru se liší v závislosti na instalovaném zařízení. Elektroměr pracující ve spojení s transformátorem tedy odečítá zátěž sníženou 30, 40 nebo 60krát. Jednoduše řečeno, tato čísla představují transformační poměry.
Jak určit transformační poměr?
Často se stává, že na zakoupeném transformátoru není možné najít potřebné informace, zejména údaje o úrovni konverze napětí, které je k němu dodáváno. Tato informace je důležitá pro výběr elektroměru. S údaji o transformačním poměru použitého zařízení můžete pochopit, kolikrát se sníží elektrické zatížení. Tyto ukazatele můžete zjistit provedením určitých výpočtů.
K tomu budete muset zjistit úroveň napětí na sekundárním vinutí. Dále se hodnoty proudu na primárním vinutí vydělí výslednou hodnotou (údaje o sekundárním vinutí). Zjistíte tak koeficient, který potřebujete pro elektroměr.
Vypočítaný účetní faktor, co to je?
Chcete-li objasnit skutečnou úroveň spotřeby energie, musíte odečíst údaje z vašeho elektroměru a vynásobit je transformačním poměrem transformátoru (tj. 30,40, 60 nebo 60krát). Bude to vypadat nějak takto. Číselník vašeho instalovaného elektroměru ukazuje číslo 20 kWh. V domě je použit transformátor, který snižuje napětí 60krát (to je koeficient). Obě čísla vynásobíme (20*1200=XNUMXkWh). Výsledné číslo je skutečná spotřeba energie.
Typy elektroměrů
Všechny dnes existující měřiče jsou rozděleny podle principu jejich činnosti na třífázové a jednofázové; Nejsou připojeny k síti ve většině případů, v obvodu je mezi nimi transformátor. Možné je ale i přímé spojení. Pro sítě s napětím do 380V se používají elektroměry od 5 do 20A. Již víme, že transformační poměr je rozdíl mezi napětím na vstupu do transformátoru a napětím na jeho výstupu.
Elektroměr přijímá čistou elektřinu, která má konstantní hodnotu. Dnes se uchylují k použití dvou hlavních typů měřicích zařízení. Do poloviny devadesátých let minulého století byly instalovány především měřiče indukčního typu. Fungují dodnes, ale postupně jsou nahrazovány elektronickými měřiči (toto tvrzení platí i pro obecný domovní měřič).
Měřič indukčního typu má zastaralou konstrukci. Jeho činnost je založena na interakci magnetických polí produkovaných v indukčních cívkách a disku, který snímá spotřebu elektrické energie při otáčení. Nevýhodou těchto zařízení je, že nejsou schopna zajistit vícetarifní měření. Navíc zde není možnost vzdáleného přenosu dat.
Činnost elektronických měřičů je založena na mikroobvodech, které přímo převádějí čtené signály. Tato zařízení nemají žádné rotační části, což výrazně zvyšuje jejich spolehlivost a životnost. Jednoduše řečeno, transformační poměr měřidla má přímý dopad na přesnost dat, která produkuje.
Dříve bylo hodnocení přesnosti 2.5, ale dnes používaná měřící zařízení mají hodnocení přesnosti 2.0. Elektronická zařízení mají tak vysokou přesnost dat. Dnes jsou všude instalovány pouze elektronické měřiče, které sebevědomě nahrazují indukční.
Hlavní výhodou technologicky vyspělých zařízení je, že jsou multitarifní. Tato okolnost umožňuje nejen zohlednit denní úroveň spotřeby elektřiny, ale také v souladu s ročními obdobími. Změna tarifů je řízena automaticky a probíhá autonomně, bez nutnosti zásahu člověka.