Transformátor je statické elektromagnetické zařízení se dvěma nebo více indukčně vázanými vinutími a určené k přeměně elektromagnetické indukce jednoho nebo více systémů střídavého proudu na jeden nebo více jiných systémů střídavého proudu, včetně přeměny elektrické energie střídavého proudu jednoho napětí na elektrickou energii různého napětí .
Obr. 1. Schéma činnosti jednofázového transformátoru naprázdno
Činnost transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce, který spočívá v tom, že když se magnetické pole pronikající do vodivého obvodu v průběhu času mění, indukuje se v něm elektromotorická síla (emf).
Pokud je na konce jednoho z vinutí jednofázového transformátoru (obr. 1), v tomto případě AX vinutí 1U přivedeno střídavé napětí U1, pak jím protéká proud naprázdno /x, nazývá se také magnetizační vytváří magnetické pole, které se mění se stejnou frekvencí, jako je napětí. V tomto případě je v důsledku vysoké magnetické permeability oceli většina magnetického pole, které se nazývá hlavní magnetické pole f transformátoru, uzavřeno přes obvod magnetického systému, druhá část magnetického pole, tzv. rozptylové pole f je uzavřeno vzduchem, není magneticky spojeno s vinutím 2 a proto se při transformaci neúčastní žádné napětí (energie). Podle zákona elektromagnetické indukce měnící se hlavní magnetické pole Ф, pronikající oběma vinutími, v nich indukuje emf E1 a E2. Napětí U2l měřené voltmetrem a přiložené napětí Uu lze prakticky považovat za rovné emf E2 a E1, resp. Pokud je ke koncové ose vinutí připojena jakákoli elektrická zátěž, pak v jeho obvodu vzniká proud, který současně způsobí zvýšení proudu ve vinutí 1.
V uvažovaném elektromagnetickém zařízení – transformátoru – tedy dochází k přeměně elektrické energie dodávané do vinutí I na elektromagnetickou energii a následně na elektrickou energii použitou v zátěžovém obvodu připojeném ve vinutí 2.
Transformátor v magnetickém systému 3, ve kterém je vytvořeno jednofázové magnetické pole, se nazývá jednofázový, ale pokud je vytvořeno třífázové pole, pak se nazývá třífázové.
Vinutí, do kterého je přiváděna energie (napětí) přeměněného střídavého proudu, se nazývá primární; Vinutí transformátoru, ze kterého se odebírá energie přeměněného střídavého proudu, se nazývá sekundární.
Vinutím transformátoru rozumíme soubor závitů, které tvoří elektrický obvod, ve kterém se sčítají elektromotorické síly indukované v závitech, aby se získalo dané napětí.
Vinutí transformátoru, do kterého se přivádí elektrická energie přeměněného střídavého proudu nebo ze kterého se energie přeměněného střídavého proudu odebírá, se nazývá hlavní vinutí. Výkonový transformátor má alespoň dvě hlavní vinutí.
Hlavní vinutí transformátoru, které má nejvyšší jmenovité napětí, se nazývá vinutí vysokého napětí (VN), nejmenší vinutí nízkého napětí (NN) a mezivinutí mezi nimi se nazývá vinutí středního napětí (MV). navíjení.
Transformátor se dvěma galvanicky nespojenými vinutími (VN a NN) se nazývá dvouvinutí a jedno se třemi (VN, VN a NN) se nazývá trojvinutí. Jedno z těchto vinutí je primární, další dvě jsou sekundární. Pokud má transformátor primární vinutí NN, nazývá se step-up, pokud HV – step-down.
Hodnoty sekundárního emf E2 a podle toho i napětí U2 závisí na počtu závitů sekundárního vinutí. Zvýšení počtu závitů sekundárního vinutí vede ke zvýšení sekundárního emf a napětí a naopak.
Dalším konstrukčním ukazatelem transformátoru je transformační poměr ky rovnající se poměru napětí na svorkách vinutí vyššího napětí k napětí na svorkách vinutí nízkého napětí v režimu bez zatížení (nezatíženého) transformátoru.
Dvouvinutý transformátor má jeden transformační poměr rovný poměru nejvyššího napětí k nejnižšímu, třívinutý transformátor má tři transformační poměry rovné poměru nejvyššího napětí k nejnižšímu, nejvyššího napětí k průměru a od průměru po nejnižší.
Pro dvě vinutí výkonového transformátoru umístěná na jedné tyči magnetického systému se koeficient transformace považuje za rovný poměru počtu jejich závitů. Pokud je tedy např. primární vinutí s počtem závitů W vinutí s vyšším napětím a sekundární vinutí s počtem závitů w2 je nízkonapěťové, pak k=UfU2=Wi/w2y, odkud U = kU2 , W = kw2.
Při znalosti transformačního poměru a napětí sekundárního vinutí transformátoru je tedy snadné určit napětí primárního vinutí a naopak. To platí také pro aktuální hodnoty a počet otáček.
Pro zlepšení elektrické izolace vodivých částí a podmínek chlazení transformátoru jsou vinutí spolu s magnetickým systémem ponořena do nádrže s transformátorovým olejem. Takové transformátory se nazývají olejové nebo olejové.
Některé účelové transformátory jsou místo oleje plněny nehořlavou syntetickou kapalinou sovtol. Transformátory, ve kterých je hlavním izolačním médiem vzduch, plyn nebo pevné dielektrikum a chladicím médiem atmosférický vzduch, se nazývají suché.
Každý transformátor je charakterizován jmenovitými údaji, ty hlavní jsou uvedeny na štítku, který je k němu připevněn. Patří sem: výkon, napětí, proud, frekvence atd.
Nominální výkon transformátoru – to je výkon, pro který je určen.
Jmenovitý výkon 5 transformátorů je vyjádřen jako celkový elektrický výkon v kilovoltampérech (kVA) nebo megavoltampérech (MB-A).
Nominální primární stres – to je napětí, pro které je navrženo primární vinutí transformátoru; jmenovité sekundární napětí– napětí na svorkách sekundárního vinutí, vyplývající ze stavu bez zatížení transformátoru a jmenovitého napětí na svorkách primárního vinutí. Jmenovité proudy určeno odpovídajícím jmenovitým výkonem a napětím.
Vyšší jmenovité napětí transformátoru – toto je největší jmenovité napětí vinutí transformátoru.
Nižší номинальное натягане – nejmenší jmenovité napětí vinutí transformátoru.
průměrný номинальное натягане – jmenovité napětí, které je mezi nejvyšším a nejnižším jmenovitým napětím vinutí transformátoru.
Režim, ve kterém je jedno z vinutí transformátoru zkratováno a druhé je pod napětím, se nazývá zkrat (zkrat). Pokud během provozu transformátoru při jmenovitých napětích dojde ke zkratu, vznikají ve vinutích zkratové proudy, 5-20krát (nebo více) vyšší než jmenovité. V tomto případě teplota vinutí prudce stoupá a vznikají v nich velké mechanické síly. Takový zkrat je nouzový a aby nedošlo k poškození transformátoru, používá se speciální ochrana, která by jej měla vypnout během zlomku vteřiny.
Pokud pokusně zkratujeme jedno z vinutí transformátoru (obr. 2), v tomto případě vinutí nn s počtem závitů W29 a do druhého s počtem závitů w přivedeme snížené napětí. a postupně jej zvyšujte, pak při určité hodnotě napětí C/sq., nazývané zkratové napětí, potečou ve vinutí proudy, respektive rovné jmenovitým hodnotám primárního a sekundárního vinutí.
Rovnost zkratových napětí paralelně zapojených transformátorů je jednou z podmínek jejich normálního provozu. Infračervené napětí je uvedeno na štítku každého transformátoru. Je definován normami a závisí na typu a výkonu transformátoru: pro transformátory s nízkým a středním výkonem je to 5-7%, pro transformátory s vysokým výkonem – 6-17% nebo více.
Obr. 2. Schéma a rozptylová pole jednofázového transformátoru v režimu zkratu: a – podmíněné, b – skutečné
Při zážitku zkratu v magnetické soustavě vzniká nevýznamné magnetické pole Fk, způsobené malým magnetizačním proudem v důsledku malého přiloženého napětí IR.3. Jmenovité proudy procházející primárním a sekundárním vinutím vytvářejí protisměrné MMF, a proto jsou rozptylová pole a Фр1 a Фр2 nucena uzavřít vzduch a kovové části transformátoru (viz obr. 2, a). Bludná pole ve skutečném transformátoru, ve kterém jsou primární a sekundární vinutí umístěny na stejné tyči magnetického systému, jsou znázorněny na Obr. 2b.
Výsledné rozptylové pole Фр vytváří ve vinutích indukční reaktanci, která v případě nouzového zkratu omezuje proud ve vinutích a chrání je před nadměrným ohřevem a zničením. Čím větší je, tím menší je nebezpečí zničení vinutí při nouzových zkratech. Při výpočtu transformátoru je však zkratové napětí omezeno na určitou hodnotu, jinak rozptylová pole, vytvářející značnou indukční reaktanci, způsobí nepřijatelně velký jalový úbytek napětí ve vinutích, v důsledku čehož sekundární napětí resp. v souladu s tím se výkon přijímaný spotřebitelem sníží. Zkratové napětí je určeno pro každý pár vinutí: ve dvouvinutém transformátoru – pro vinutí VN – NN; v transformátoru se třemi vinutími – pro vinutí VN-NN; VN – CH a CH – NN.
ztráta transformátor – jedná se o činný výkon spotřebovaný v magnetickém systému, vinutí a dalších částech transformátoru v různých provozních režimech.
ztráta nečinný pohyb Рхх je činný výkon spotřebovaný transformátorem v režimu naprázdno při jmenovitém napětí a jmenovité frekvenci primárního vinutí.
Při chodu naprázdno transformátor nepřenáší elektrickou energii, protože sekundární vinutí je otevřené. Činný výkon, který spotřebovává, se vynakládá na ohřev oceli magnetického systému v důsledku reverzace magnetizace a vířivých proudů a částečně i primárního vinutí. Tyto celkové ztráty se nazývají ztráty transformátoru naprázdno. Ztráty v činném odporu vinutí jsou vzhledem k nízkému proudu naprázdno nepatrné (0,3-0,5 % jmenovitého výkonu transformátoru), proto se zanedbávají a má se za to, že výkon je vynakládán pouze na ztráty v ocel magnetického systému. Absolutní hodnota ztrát naprázdno transformátoru je nevýznamná. Snaží se je však co nejvíce snížit, protože celkové roční ztráty transformátoru naprázdno jsou poměrně velké.
ztráta zkrat Рш je činný výkon spotřebovaný transformátorem při zkratu, způsobený ztrátami aktivního odporu primárního a sekundárního vinutí a proudových částí transformátoru při průchodu jmenovitého proudu a dodatečnými ztrátami způsobenými rozptylovými poli.
Napětí Us dodávané do transformátoru při zkratové zkoušce, v závislosti na jeho konstrukci a účelu, je 5-20krát menší než jmenovité, proto je magnetické pole v magnetickém systému zanedbatelné a ztráty v aktivní oceli jsou způsobeny k obrácení magnetizace jsou odpovídajícím způsobem nevýznamné. Jsou zanedbávány vzhledem k tomu, že spotřeba energie při zkratu je vynaložena pouze na ztráty v aktivním odporu vinutí a na dodatečné ztráty způsobené rozptylovými poli. Svodová pole indukují kromě vířivých proudů také vířivé proudy ve vinutích a jiných částech transformátoru (odbočky, průchodky atd.) a v ocelových konstrukcích (stěny nádrže, nosníky třmenu, lisovací části atd.). vytvářejí hysterezní ztráty (ztráty z převrácení magnetizace). Dodatečné ztráty z rozptylových polí způsobují přehřívání jednotlivých částí transformátoru a snižují jeho účinnost. Proto se při výpočtech a návrhu transformátorů snaží zmenšit rozptylová pole na optimální hodnotu; k tomu jsou primární a sekundární vinutí umístěny soustředně na jedné tyči magnetického systému, čímž se kanál mezi nimi co nejvíce zmenšuje (obr. 3). Čím blíže jsou vinutí k sobě, tím menší je rozptylové pole, a tedy dodatečné ztráty vířivými proudy a převrácením magnetizace.
Obr. 3. Umístění vinutí VN a NN na tyči magnetického systému
Při zkratu jsou proudy a výkonové ztráty stejné jako při plném zatížení transformátoru, proto se často nazývají ztráty zatížení. Ztráty naprázdno a zkraty jsou standardizovány normou.
Celkové ztráty transformátoru při jmenovité zátěži jsou ztráty naprázdno a ztráty nakrátko. Když znáte tyto ztráty a výkon dodávaný transformátorem do sítě, můžete určit jeho účinnost v procentech. Transformátory mají poměrně vysokou účinnost (98,5-99,3 %).
Převod třífázového napětí lze provést dvěma způsoby: pomocí jediného třífázového transformátoru nebo pomocí skupiny tří jednofázových transformátorů.
Primární vinutí třífázového transformátoru je soustava tří vinutí napájených vodiči, které samostatně dodávají napětí každé ze tří fází NN, a sekundární vinutí je soustava tří vinutí spojených samostatnými vodiči, které odvádějí napětí z každé z nich. tři fáze NN.
Primární a sekundární vinutí třífázových transformátorů, jsou-li připojeny, mohou být zapojeny v různých vzorech: hvězda, trojúhelník nebo cik-cak. Typ připojení je obvykle uveden na typovém štítku transformátoru.
Schematické schéma třífázového transformátoru
Schémata zapojení vinutí třífázových transformátorů
Třífázový transformátor má dvě třífázová vinutí – vysoké napětí (VN) a nízké napětí (NN), z nichž každé obsahuje tři fázová vinutí nebo fáze.
Třífázový transformátor má tedy šest nezávislých fázových vinutí a 12 svorek s odpovídajícími svorkami a počáteční svorky fází vinutí vyššího napětí jsou označeny písmeny A, B, C, koncové svorky jsou X, Y, Z a pro podobné svorky fází nízkonapěťového vinutí se používají tato označení: a, b, c, x, y, z.
Každé z vinutí třífázového transformátoru – primární a sekundární – lze připojit třemi různými způsoby, a to:
- hvězda;
- trojúhelník;
- cikcak.
Ve většině případů jsou vinutí třífázových transformátorů zapojena buď do hvězdy nebo do trojúhelníku (obr. 1).
Volba schématu zapojení závisí na provozních podmínkách transformátoru. Například v sítích s napětím 35 kV a více je výhodnější připojit vinutí do hvězdy a uzemnit nulový bod, protože v tomto případě bude napětí vodičů přenosového vedení V 3krát menší než lineární, což vede ke snížení nákladů na izolaci.
Je výhodné budovat osvětlovací sítě na vysoké napětí, ale žárovky s vysokým jmenovitým napětím mají nízkou světelnou účinnost. Proto je vhodné je napájet ze sníženého napětí. V těchto případech je také výhodné zapojit vinutí transformátoru do hvězdy (Y) včetně výbojek pro fázové napětí.
Na druhou stranu z hlediska provozních podmínek samotného transformátoru je vhodné zařadit jedno jeho vinutí do trojúhelníku.
Poměr fázových transformací třífázového transformátoru se zjistí jako poměr fázových napětí naprázdno:
n f = U fvnkh / U fnnkh,
a lineární transformační poměr v závislosti na fázovém transformačním poměru a typu připojení fázových vinutí vysokého a nízkého napětí transformátoru podle vzorce:
n l = U lnx / U lnx.
Pokud jsou zapojení fázových vinutí provedena podle obvodů „hvězda-hvězda“ nebo „trojúhelník-trojúhelník“, pak jsou oba transformační poměry stejné, tzn. nf = nl.
Při zapojení fází vinutí transformátoru podle obvodu „hvězda-trojúhelník“ – n l = n fV 3 a podle obvodu „trojúhelník-hvězda“ – n l = n f / V 3
Skupiny připojení vinutí transformátoru
Skupina zapojení vinutí transformátoru charakterizuje vzájemnou orientaci napětí primárního a sekundárního vinutí. Změna vzájemné orientace těchto napětí se provádí odpovídajícím přeznačením začátků a konců vinutí.
Standardní označení začátků a konců vinutí vysokého a nízkého napětí jsou na obr. 1. Obr.
Uvažujme nejprve vliv značení na fázi sekundárního napětí ve vztahu k primáru na příkladu jednofázového transformátoru (obr. 2 a).
Obě vinutí jsou umístěna na stejné tyči a mají stejný směr vinutí. Horní svorky budeme považovat za začátky a spodní svorky za konce vinutí. Potom budou EMF E1 a E2 ve fázi a v souladu s tím bude napětí sítě U1 a napětí zátěže U2 stejné (obr. 2 b). Pokud nyní akceptujeme obrácené značení svorek v sekundárním vinutí (obr. 2 c), pak ve vztahu k zátěži EMF E2 změní fázi o 180°. V důsledku toho se fáze napětí U2 změní o 180°.
U jednofázových transformátorů jsou tedy možné dvě skupiny zapojení, odpovídající úhlům posuvu 0 a 180°. V praxi se pro usnadnění označování skupin používá číselník hodin. Napětí primárního vinutí Ul je reprezentováno minutovou ručkou nastavenou konstantně na 1 a hodinová ručka zaujímá různé polohy v závislosti na úhlu posunu mezi U12 a U1. Posun o 2° odpovídá skupině 0 a posun o 0° odpovídá skupině 180 (obr. 6).
U třífázových transformátorů lze získat 12 různých skupin zapojení vinutí. Podívejme se na pár příkladů.
Vinutí transformátoru necháme zapojit podle obvodu Y/Y (obr. 4). Vinutí umístěná na jedné tyči budou umístěna pod sebou.
Spojujeme svorky A a a, abychom spojili potenciálová schémata. Polohu vektorů napětí primárního vinutí nastavíme trojúhelníkem ABC. Poloha vektorů napětí sekundárního vinutí bude záviset na označení svorek. Pro označení na Obr. 4a, EMF odpovídajících fází primárního a sekundárního vinutí se shoduje, proto se lineární a fázová napětí primárního a sekundárního vinutí budou shodovat (obr. 4, b). Obvod má skupinu Y/Y – O.
Změňme označení svorek sekundárního vinutí na opačné (obr. 5.a). Při zaznamenávání konců a začátků sekundárního vinutí se fáze EMF změní o 180°. Proto se číslo skupiny změní na 6. Tento obvod má skupinu Y/Y – b.
Na Obr. Obrázek 6 ukazuje schéma, ve kterém bylo ve srovnání se schématem na obrázku 4 provedeno kruhové přeznačení svorek sekundárního vinutí. V tomto případě se fáze odpovídajícího EMF sekundárního vinutí posunou o 120°, a proto se číslo skupiny změní na 4.
Schémata zapojení Y/Y umožňují získat sudá čísla skupin, při zapojení vinutí podle obvodu hvězda-trojúhelník jsou čísla skupin lichá. Jako příklad uvažujme schéma uvedené na obr. 7.
V tomto obvodu se fázové EMF sekundárního vinutí shoduje s lineárním, takže trojúhelník abc se otáčí o 30° proti směru hodinových ručiček vzhledem k trojúhelníku ABC. Ale protože úhel mezi lineárním napětím primárního a sekundárního vinutí se počítá ve směru hodinových ručiček, bude mít skupina číslo 11.
Z dvanácti možných skupin zapojení vinutí pro třífázové transformátory byly standardizovány dvě: „hvězda-hvězda“ – 0 a „hvězda-trojúhelník“ – 11. Zpravidla se používají v praxi.
Obvody hvězda-hvězda s nulovým bodem se používají především pro spotřebitelské transformátory s napětím 6 – 10/0,4 kV. Nulový bod umožňuje získat napětí 380/220 nebo 220/127 V, což je výhodné pro současné připojení třífázových i jednofázových elektrických přijímačů (elektromotorů a žárovek).
Obvody hvězda-trojúhelník se používají pro vysokonapěťové transformátory, spojující vinutí 35 kV do hvězdy a vinutí 6 nebo 10 kV do trojúhelníku. Obvod hvězda-neutrál se používá ve vysokonapěťových systémech pracujících s uzemněným neutrálem.
Skupiny připojení vinutí třífázových transformátorů:
Skupiny zapojení (velikost fázového posunu určená úhlem měřeným ve směru hodinových ručiček – od indikace vysokého napětí k indikaci fáze nízkého napětí) jsou důležité při zapojování transformátorů pro paralelní provoz, tzn. v podmínkách, kdy jsou primární vinutí transformátorů napájena ze společných sběrnic a sekundární vinutí také pracují na společných sběrnicích.
Při paralelním provozu třífázových transformátorů musí být napětí mezi stejnými svorkami sekundárního vinutí transformátoru navzájem ve fázi, proto musí být okamžité hodnoty odpovídajících upínacích napětí po celou dobu stejné. Jinak dojde ke zkratu. Více o tom naleznete zde: Paralelní provoz transformátorů
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
