Transcript Transformátory

1
TRANSFORMÁTOR
Zařízení sloužící ke změně parametrů elektrické energie:
– Změna napětí (provázeno změnou proudu v opačném smyslu)
– Změna proudu (provázeno změnou proudu v opačném smyslu)
– galvanické oddělení obvodů – tzv. oddělovací transformátor – bezp. důvody
– lze jím i měnit počet fází
Nejčastěji používaný elektrický stroj.  přenos a rozvod el. energie.
Využívá principu elektromagnetické indukce

 Hd l   I
l
Hl  NI
1. M. r. – zákon celk. proudu

d
l Edl   dt

Ui  
t
2. M. r. – Faradayův ind. zákon
Typy transformátorů
• Podle počtu fází
– jednofázový
– třífázový
– vícefázový
• Podle způsobu chlazení
–
–
–
–
vzduchové
plynové
pískové
olejové
• Podle použití
– napěťový
– proudový
– speciální
• Podle provedení vinutí
– dvouvinuťové
– vícevinuťové
• Podle konstrukce
– jádrový
– plášťový
– toroidní
Konstrukční uspořádání
• magnetický obvod – plechy 0,28; 0,33; 0,5 mm
» jádra - umístěno vinutí
» spojky - uzavírají mag. obvod
• vinutí – min. dvě mag. vázaná vinutí na fázi
• musí vyhovovat:
» tepelně
» mechanicky
» izolačně
• nádoba – u transformátorů chlazených olejem
» hladké
» žebrované
» hladké s radiátory (s ofukováním)
- u velkých výkonů nucený oběh oleje + chladič mimo nádobu
– na víku keramické průchodky
– součástí nádoby – konzervátor a hygroskopická látka
Principy základních konstrukcí
A – jádrový
B – plášťový
C – toroidní
Hlavní a rozptylové magnet. toky
Náhradní schéma
Indexy: μ – magnetizační složka
1 – primární veličina
σ – rozptylová složka
2 – sekundární veličina
Fe – týká se mag. Plechů
h – hlavní indukčnost
Pozn.: Sekundární parametry jsou přepočítány na primární napětí
Napěťové rovnice transformátoru
• Plynou z náhradního schématu
• Sestavení – dle Kirchhoffova zákona o napětích

 

U1  U i  I1 R1  I1 jX L 1

 

U 2´ U i  I 2 ´R2´ I 2 ´ jX L 2 ´
Proudové rovnice transformátoru
• Vycházejí z náhradního schématu
• Sestavení – dle Kirchhoffova zákona o proudech
  
I1  I 0  I 2

I 0  I Fe  jI 
Fázorový diagram transformátoru
Přepočítací vztahy:
U2i´=p*U2i
I2´=I2 / p
R2´=p2*R2
XLσ2´= p2*XLσ2
Pozn.: Sekundární parametry jsou přepočítány na primární stranu.
Chlazení transformátorů I
• VZDUCHOVÉ
– Odvod tepla konvekcí (prouděním)
– Přirozená nebo nucená konvekce
– Menší výkony, větší plocha chlazení – větší objem
• KŘEMIČITÝ PÍSEK
– Odvod tepla kondukcí (vedením)
– Místa s neb. výbuchu a požáru – doly, obch. domy,
lodě
– Značná hmotnost, lze dopravovat v jakékoliv poloze
Chlazení transformátorů II
• PLYNEM
– Nejčastěji SF6

netečný plyn bez zápachu

3x větší tepelná vodivost
než vzduch

lepší elektroizolační vlastnosti
– Vhodné pro omezené prostory (lodě,
lokomotivy, doly)
Chlazení transformátorů III
• OLEJEM – minerálním nebo syntetickým
– MINERÁLNÍ
• El. oblouk  hořlavé plyny + vzduch  výb.směs!
• Je hygroskopický (už 0,01% H O snižuje EP o 20%)
• Kaly  zhoršuje se tepelná vodivost
2
– SYNTETICKÉ
• Pro vysoká napětí a velké výkony
• Nehořlavé, nehygroskopické
• Dříve PCB (polychlorované bifenyly) – vysoce tox.!
Ztráty transformátoru
ΔP = ΔP0 + ΔPK = ΔPFe + ΔPj1 + ΔPj2
Maximální účinnost
Poměrné zatížení
↔ ΔP0 = ΔPk
i
P0
PKn
Při jmenovitém zatížení ΔPkn= (3,5 až 5) ΔP0
Maximální účinnost ↔ i = 0,53 až 0,45
Chod nakrátko
•
Výstupní vinutí nakrátko U´2 = 0

Z 2  R2  jX L 2



U1
I1K  I1n  
Z1K
↓
Z1k  R1k  jX L1K
→
R1K  R1  R2´
X L1K  X L1  X L´ 2
•
Proud IK kryje především ztráty ve vinutí
Chod nakrátko – měřicí obvod
Napětí nakrátko Uk – napětí, při kterém teče primárem
jmenovitý proud (při zkratovaném sekundáru)
Poměrné napětí nakrátko uk = Uk/Un *100 [%]
obvykle do 10% - štítková hodnota transformátoru
Chod naprázdno
Z 2    I 2  0 A
Sekundární vinutí rozpojeno


Proud I0 kryje především ztráty v železe, a to:
Ph  kh * f * B(1,62,2)
–
Ztráty hysterezní
–
Ztráty vířivými proudy
Pv  kv * f 2 * B2

Z0
Činná složka impedance naprázdno (Rfe): RFe 
cos
 
Z0
Jalová složka impedance naprázdno (Xh) : X h 
sin 
Impedance naprázdno

 U1
Z0  
I0

RFe * jX h
Z0 
RFe  jX h
Chod naprázdno – měřicí obvod
Proud naprázdno I0 – proud odebíraný transformátorem
bez zatížení – kryje magnetizační ztráty
Poměrný proud naprázdno io = I0 / In * 100 [%]
- udává, jaký má I0 podíl na jmenovitém proudu
- obvykle 10 – 20 %
Měřicí transformátory
•
•
•
přístrojové transformátory
přesnost  pravidelná kalibrace
napájení měřicích a jistících přístrojů  konstrukce
Slouží k:
a) Oddělení od obvodů vysokého napětí  bezpečnost
b) Transformace napětí a proudu za účelem měření
U2=100V, I2=5A
Měřicí transformátory proudu
•
•
Primár – málo závitů
Sekundár – hodně závitů
–
připojen A, W, EM
pokud I μ=0, pak
I1 N 2 1


I 2 N1 p
Malý mag.proud Iμ  větší přesnost…k tomu je třeba:
• Plné zatížení MTP
• Malá indukce B (B < 0,1 T) – pak je I2=f(I1) téměř lineární
• Magnetický obvod bez vzduchových mezer
• Vysoká μ jádra, malé ΔPFe
POZOR! Při chodu se nesmí rozpojit sekundární strana transformátoru!!!
Je-li I2=0  vnucený proud I1 = Iμtransformátor se přesycujeindukce napětí na
svorkách sekundárušpičky dosahují nebezpečných hodnot pro izolaci
vinutímožné proražení izolace nebo vzniku remanence jádra!. Velká indukce
Bvelké ztráty ΔPFeoteplení.  ZK
Měřicí transformátor napětí
•
•
Primár – hodně závitů
Sekundár – málo závitů
– připojen V, W, EM
zanedbáme-li úbytky napětí
U10 N1

p
U 20 N 2
Menší úbytky napětí budou při:
•
•
malém proudu naprázdno MTP (malá B, mag.obvod bez vzd. mezer, kvalitní mag.mat.)
Malých činných odporech vinutí a rozptylových reaktancích (malé uK) malé vzd.vinutí
POZOR!!! MTN se nesmí na sekundární straně spojit nakrátko!!!
Vzhledem k malé impedanci nakrátko je velký proud nakrátko  nebezpečí spálení vinutí
MTN.
Autotransformátory I
Změna napětí v rozsahu 10-50 % - u 3vinuťových transf. Nehospodárné
část vinutí společná pro primár i sekundár – galvanicky spojeny
•
•
jednofázové
trojfázové
Převod transformátoru
N1
p
N2
Autotransformátor není dělič napětí elektrického typu  vinutí primáru a
sekundáru jsou zde magneticky vázána.
Autotransformátory II
Porovnání s normálním dvouvinuťovým transformátorem I.
Stav naprázdno (I2=0)
• Není podstatný rozdíl
• Zanedbáme-li ΔU, platí
U 20 
U1
N
 U1 2
p
N1
Při zatížení (I2>0)
• NORM.TRAFO
–
–
•
Cívkou A0 – proud I1
Cívkou ao – proud I2
AUTOTRAFO
–
–
Cívkou Aa – proud I1
Cívkou ao – proud I
I=I1+I2=I1(1+p)=I2(1+1/p) ~ I=I2-I1=I2(1-1/p)
Autotransformátory III
Porovnání s normálním dvouvinuťovým transformátorem II.
Jouleovy ztráty
Parametry vinutí
NORM.TRAFO
Odpor RAa
PJT  PJ1  PJ2  R A0 I12 R aoI22
AUTOTRAFO
PJA  PJ1  PJ2  R Aa I12 R aoI2
1
PJA  PJT (1  )
p
RAa  R1
N1  N 2
 R1 (1  p)
N1
Odpor Rao - protéká menší proud I
- stačí menší průřez
- větší odpor
Rao 
R2
R
 2
I
1
1
I2
p
Autotransformátory IV
Porovnání s normálním dvouvinuťovým transformátorem III.
Autotransformátor má oproti normálnímu dvouvinuťovému transformátoru:
• menší provozní i výrobní náklady
• menší poměrný odpor nakrátko
 tvrdší zdroj s menšími úbytky napětí,
• menší poměrnou reaktanci nakrátko  ale větší zkratové proudy!!!
Přiváděný vstupní výkon S1=U1I1≈U2I2 (průchozí výkon) se přenáší:
• elektromagnetickým výkonem (vlastní – typový výkon)
S12=(U1-U2)I1=S1(1-1/p)
Pokud p1
• elektrickým výkonem
SEL=S1-S12=S1/p
- úspora je vysoká (Cu, Fe)
- výkon se přenáší elektricky
- nebezpečí průrazu,hlavně u
vn
PROTO p v rozsahu 1,25 až 2
Pokud p > 2
POUŽITÍ: - v sítích nn, vn i vvn
- spouštění velkých synchr., příp. asynchr. motorů
Paralelní chod transformátorů
• Při nerovnoměrném zatížení – ekonomicky a technicky výhodnější
CHOD NAPRÁZDNO
Podmínky:
– nulový vyrovnávací proud
a) stejný převod
b) stejný hodinový úhel
c) stejný úbytek napětí způsobený proudem naprázdno
CHOD PŘI ZATÍŽENÍ – správné rozdělení zatížení úměrně s jmen. výkony
•
zatížení nepřímo úměrně poměrné impedanci nakrátko
• V praxi – stejné poměrné impedance nakrátko – max. odchylka 10 %
Trojfázové transformátory
3F transformátor s nezávislým magnetickým systémem
+ magnetická symetrie, porucha, revize – výměna rezervní fáze, doprava
- spotřeba materiálů, více nádob, technologická náročnost, hmotnost, náklady
 použití výjimečně u velkých výkonů (JE Temelín – blokový transformátor)
Trojfázové transformátory
3F transformátor se závislým magnetickým systémem
+ úspora materiálu, menší ztráty v železe
- při poruše jedné fáze – odstavení celého stroje