Struktura

Konstrukce a činnost transformátorů

Konstrukce a činnost transformátorů

Konstrukce transformátorů

Každý transformátor se skládá z magnetického obvodu a elektrického obvodu. Tyto obvody si zde podrobněji popíšeme.

Magnetický obvod transformátoru – je složen z elektrotechnických plechů, které jsou vzájemně izolovány povrchovou úpravou plechu – lakováním. Elektrotechnické plechy se na složí na sebe a tvoří tzv. jádro transformátoru. V jádru vzniká při průchodu proudu cívkami magnetický indukční tok a tím umožní vznik indukovaného napětí.

obrazek

Obr. 1: Magnetický obvod transformátoru

Elektrotechnické (transformátorové) plechy mají podle konstrukce transformátoru různé tvary, které se označují písmeny – U, E, I a M.

Např.

obrazek

Obr. 2: Složení jádra z plechů E a I

Elektrický obvod transformátoru – jsou to izolované vodiče, které tvoří tzv. cívku transformátoru.   Ke zdroji střídavého napětí se připojuje primární (vstupní) cívka a ke spotřebiči se připojuje sekundární (výstupní) cívka. Obě cívky mají určitý počet závitů a mají určitý průřez vodičů podle toho, jakého chceme docílit transformačního poměru. (Poměr vstupního a výstupního vinutí).

Podle toho, jak je provedeno navinutí cívek na jádro, se transformátory dělí na:

  • Jádrové transformátory – vinutí obklopuje plechy

  • Plášťové transformátory – plechy obklopuje vinutí

  • obrazek                                    Obr. 3: Jádrové a plášťové transformátory

Podle druhu napětí se transformátory rozdělují na:

  • Jednofázové

  • Trojfázové

Trojfázové transformátory mohou mít vinutí spojeny do: hvězdy, do trojúhelníku a do lomené hvězdy.

obrazek

Obr. 4: Spojení vinutí do hvězdy, trojúhelníku a lomené hvězdy

Spojení do hvězdy – začátky nebo konce vinutí jsou spojeny do jednoho bodu uzlu a konce nebo začátky vinutí se vyvedou na svorky.

Spojení do trojúhelníku – je to spojení, kdy vždy začátek jedné fáze spojíme s koncem druhé fáze.

Spojení do lomené hvězdy – vinutí každé fáze se rozdělí na dvě poloviny a ty se navinou na dvě sousední jádra.

Činnost transformátorů

Transformátor naprázdno – Je to transformátor, který je připojen pouze ke zdroji střídavého napětí, ale není k němu připojena žádná zátěž. V tomto případě prochází proud primárním vinutím a na fázorovém diagramu a obrázku je označen jako proud I10, který je fázově posunut za vstupním napětím U1 téměř o 90 stupňů. Je to tím, že transformátor představuje indukční zátěž. Tento proud má dvě složky. Proud Iµ = Ij se nazývá magnetizační proud a jeho fázor je kolmý k fázoru vstupního napětí U1 a činný proud IFe = Ič, který je ve fázi se vstupním napětím U1. Jaké to jsou druhy proudy?

Magnetizační proud Iµ slouží pro vznik magnetického pole v jádru, tedy vybudí magnetický indukční tok Φ1.

Proud IFe  kryje ztráty ve vstupním vinutí a v magnetickém obvodu (železe).

Magnetický indukční tok Φ1 způsobí naindukované napětí – Ui1 ve vstupním vinutí a naindukované napětí Ui2 ve výstupním vinutí. Obě tato napětí se za magnetickým indukčním tokem zpožďují o 900 a tím pádem jsou vzájemně v protifázi (fázový posun mezi nimi je 180 stupňů).

Poměr indukovaných napětí Ui1/Ui2 = p a to je tzv. transformační poměr. Pro transformátor naprázdno potom platí:

U1 / U2 = N1 / N2 = p

Kde N1 a N2 jsou počty závitů vstupní a výstupní cívky. Zde vidíme, že napětí jsou přímo úměrná počtu závitů.

Pozn. Při zapnutí nezatíženého transformátoru vznikne v síti tzv. proudový náraz, což je proud až 15 krát vyšší než je proud jmenovitý. Po několika periodách se proud ustálí podle velikosti transformátoru.

Obr. 5: Činnost transformátoru naprázdno

Zatížený transformátor – Je to transformátor, kde na k výstupnímu vinutí připojíme zátěž. Zde na rozdíl od nezatíženého transformátoru začne výstupním vinutím N2 protékat proud I2 při napětí U2. Tento proud vybudí v jádru druhý magnetický indukční tok Φ2 a ten je podle Lenzova pravidla v protifázi s magnetickým indukčním tokem Φ1. Tyto dva toky se vektorově sečtou a vznikne výsledný magnetický tok Φ. Velikosti proudů a napětí ve vstupním a výstupním vinutí budou závislá na zatížení nebo odlehčení transformátoru.

Např. při zatížení transformátoru se zvýší proud ve výstupním vinutí I2 a tím se sníží magnetický indukční tok Φ2. To způsobí krátkodobé snížení výsledného magnetického toku Φ, což má za následek nižší indukované napětí Ui1 ve vstupním vinutí. Indukované napětí Ui1 působí proti vstupnímu napětí U1, které protlačí vinutím větší proud a tím se zvýší výsledný magnetický proud Φ.

Pro zjednodušení si uvedeme transformační poměr pro ideální transformátor:

p = U1 / U2 = I2 / I1 = N1 / N2

Proudy a průřezy vodičů vinutí N1 aN2 jsou v převráceném poměru. Z toho vyplývá, že vodič vinutí s větším počtem závitů je pro vyšší napětí a protéká jím velký proud a má menší průřez a naopak.

obrazek

Obr. 6: Zatížený transformátor

Transformátor nakrátko – Je to transformátor, který má výstupní vinutí spojeno tzv. bezodporovou spojkou. Tím bude výstupní napětí U2 nulové a vstupní napětí U1 se celé spotřebuje ve vinutí transformátoru. Potom hovoříme o důležitém parametru takového transformátoru a to je proud nakrátko. Vycházíme z Ohmova zákona, ale musíme si uvědomit, že vinutí nemá jen činnou zátěž. Proto platí:

I1k = U1 / Z

Kde Z je Impedance transformátoru.

Pozn. Zkratové proudy jsou pro transformátory nebezpečné, protože obecně mají malou impedanci. Mechanicky i tepelně zatěžují transformátor. Proto se při výrobě transformátoru musí dbát hlavně na pevné spojení a utažení elektrotechnických plechů, jinak by dynamické síly poškodily hlavně izolaci vodičů vinutí.

Na štítku transformátoru se proto udává důležitý údaj a to je procentní napětí nakrátko. Zjišťuje se měřením na transformátoru nakrátko.

Tento údaj je důležitý hlavně při paralelním spojování transformátorů.

Zdroje

 

  • VOŽENÍLEK, Ladislav, Kurz elektrotechniky Druhé, přepracované vydání, SNTL Praha 1988

Obrázky

Obrázek

Content 300px weldingtransformer 1 63

Obr. 7: Konstrukce transformátoru

Obrázek

Content  t tek

Obr. 8: Štítek transformátoru

Kontrolní otázka

1. Z čeho se skládá transformátor?

2. Co je to zatížený transformátor?

3. Jaké druhy vinutí se používají u transformátorů?

4. Jaký je transformační poměr ideálního transformátoru?

5. Co je to impedance?

Logolink