TRANSFORMÁTORY – POPIS, DEFINICE
Z konstrukčního hlediska je transformátor ze všech střídavých strojů nejjednodušší. Proti točivým elektrickým strojům nemá mechanické ztráty a má mnohem jednodušší magnetický obvod (bez drážek), složený z plechů s menšími měrnými ztrátami. Energetická účinnost transformátoru je proto podstatně větší než u všech ostatních elektrických strojů.
Transformátory se používají především v energetice pro hospodárný přenos elektrické energie z místa výroby ke spotřebiteli pomocí vysokých a velmi vysokých napětí. Používají se pro přeměnu střídavého napětí a proudu v nejrůznějších průmyslových zařízeních, v automatizační technice, v radiotechnice apod.
Transformátor definujeme jako netočivý elektrický stroj pracující na principu elektromagnetické indukce, který mění přivedené střídavé napětí na jinou hodnotu při nezměněném kmitočtu.
Jeho podstatnou částí je magnetický obvod, tj. aktivní část transformátoru, která vede magnetický tok. Na magnetickém obvodu rozlišujeme jádra, na kterých je umístěno vinutí (obvykle dvě cívky), a spojky spojující jádra. Vinutí transformátoru tvoří elektrický obvod. Magnetický obvod je složen z elektrotechnických orientovaných nebo neorientovaných plechů. Plechy jsou vzájemně od sebe izolovány, nejčastěji lakováním (dříve hedvábným papírem). Podle konstrukce magnetického obvodu rozlišujeme transformátory jádrové, u kterých vinutí obklopuje plechy a plášťové, u nichž plechy obklopují vinutí. Vinutí s počteni závitů N1se připojuje na zdroj střídavého napětí Ui a nazývá se vstupní vinutí. Vinutí s počtem závitů N2, na které se připojuje zátěž (spotřebiče), je výstupní napětí.Transformátor je netočivý stroj, který pracuje na principu elektromagnetické indukce. Mění elektrickou energii v elektrickou energii s týmž kmitočtem. Přeměna (transformace) probíhá tak, že se mění vyšší napětí na nižší napětí nebo naopak.
PRINCIP ČINNOSTI TRANSFORMÁTORU
Při popisu činnosti budeme uvažovat o jednoduchém a idealizovaném transformátoru s převodem 1:1, který má uzavřený magnetický obvod s nekonečně velkou magnetickou vodivostí (permeabilitou), němž jsou umístěny dvě vinutí: primární (vstupní) a sekundární (výstupní).
Připojíme-li na primární vinutí střídavé sinusové napětí ui, začne jim procházet střídavý proud u, který vybudí v magnetickém obvodu střídavý magnetický tok f. Tento magnetický tok indukuje v sekundárním vinutí napětí U2, jehož velikost je dána indukčním zákonem:
ui = Df/Dt = L.DI/Dt
U2 = (N2–Df)/Dt
Poměr transformátoru:
p = N1/N2 = I2/I1
POŽADAVKY VINUTÍ
K nejdůležitějším požadavkům na vinutí transformátoru patří:
Mechanická pevnost. Vinutí musí bez poškození odolávat
mechanickému namáhaní při montáži i při zkratech.
Elektrická pevnost. Izolace vinutí musí být bez poškození
odolávat střídavému elektrickému napětí při jmenovitých
provozních podmínkách a také většímu fázovému namáhaní při
přepětích.
Technologická proveditelnost. Výroba musí být jednoduchá a levná.
Odolnost proti tepelnému namáhaní. Konstrukce vinutí musí zajišťovat dobré chlazení a teplota izolace musí odpovídat předepsaným podmínkám.
Ekonomika provozu. Ztráty ve vinutí musí odpovídat předepsaným podmínkám.
Z hlediska vlastní konstrukce a návrhu vinutí jsou rozhodující veličinami jmenovitý proud a jmenovité napětí. Podle velikosti jmenovitého proudu se volí průřez vodiče (popř. počet paralelních větví) a druh profilu (obdélníkový, kruhový). Podle jmenovitého napětí se volí druh a způsob izolace mezi závity, mezi cívkami a mezi jednotlivými částmi vinutí transformátoru.
Základními částmi vinutí jsou závit, cívka a vrstva nebo deska. Závit je tvořen buď jedním, nebo několika vedle sebe umístěnými, navzájem izolovanými paralelními vodiči. Cívka je složena ze závitů, zapojených v sérii a tvořících jeden celek. Následují-li závity po sobě ve směru osy vinutí, tvoří vrstvu. Jsou-li závity zapojeny po sobě v jedné rovině, kolmé k ose vinutí, tvoří desku.
ZAPOJENÍ VINUTÍ
VINUTÍ ZAPOJENÉ DO HVĚZDY
Dosáhne tím, že spojíme konce nebo začátky vinutí tří fázi do jediného bodu. tzv. nulového bodu N, a začátek nebo konec každého vinutí vyvedeme ke svorkám. Je-li nulový bod vyveden, získáme při tomto spojení dvojí napětí, a to fázové Uf a síťové (sdružené) Us.
VINUTÍ ZAPOJENÉ DO TROJÚHELNÍKU
Spojíme-li konec vinutí jedné fáze se začátkem vinutí sousední fáze. Napětí mezi svorkami se rovná fázovému napětí.
VINUTÍ ZAPOJENÉ DO LOMENÉ HVĚZDY
Při tomto zapojení je vinutí každé fáze rozděleno na polovinu a obě poloviny jsou umístěny na dvou sousedních jádrech. Vinutí je spojeno tak, že se při zatěžování jedné fáze a nulového bodu rozděluje zatížení na dva sloupky v magnetickými toky se přenáší na dvě fáze vstupního vinutí na obr. 9. Zapojení vinutí do lomené hvězdy se používá na výstupní straně u transformátoru do výkonu 315 kV. A s nesouměrným zatížením spotřebitelské sítě. Toto zapojení vyžaduje 15% vyšší počet závitů.
VINUTÍ ZAPOJENÉ DO HVĚZDY DO TROJÚHELNÍKU DO LOMENÉ HVĚZDY
Materiál vinutí
Při výrobě vinutí se dnes používá měď, hliník nebo slitiny těchto kovů.
Izolační materiál
Papír
Papír je nejdůležitějším materiálem, užívaným ve stavbě transformátorů. Papír bez impregnace se používá jen tam, kde je malé provozní napětí. Pohlcuje vlhkost ze vzduchu a tím se zmenšuje jeho elektrická pevnost. Pro větší napětí se používá impregnovaného papíru nebo uloženého v oleji. Ve stavbě se používá jako izolace vodičů. V suchém neimpregnovaném stavu papír při teplotě 80 °C karbonizuje a pozvolna stárne. Papír nasycený olejem má nejlepší elektrické vlastnosti.
Izolační lepenka
Dodává se hlazená nebo nehlazená v tabulích, tloušťky 0,3 až 15 mm, nebo v rolích tloušťky 0,1 až l mm. Přímá vlhkost se vzduchu. Zvlášť výhodné
vlastnosti má tzv. transformerboard; je to druh šedé lepenky dodávaný v rolích o tloušťce do 0,5 mm.
Tvrzený papír v oleji
Dodává se v různých jakostech a tloušťkách; podle norem ČSN se dodává kvalita K-konstrukční, KE-konstrukční pro elektrotechnické účely, E-elektrotechnická v nejlepší kvalitě a T-tropické provedení.
Oleocel
Je to izolační materiál, dodávaný ve tvaru desek, válců, trubek i izolačních manžet pro koncovou stavbu vinutí a užívá se ho hlavně pro transformátory vvn. Tento materiál se vyznačuje velkou elektrickou pevností a je z izolačního kabelového papíru, na němž je bodově nanášen impregnační materiál. U válců i desek slisovaných z těchto bodově nanášených papírů a řádně vytvrzených může olej vniknout mezi všechny vrstvy papíru, z nichž je celá tloušťka stěny válce nebo desky. Je známo, že izolace z vrstev izolačního papíru, prosycená minerálním olejem, dává elektricky nejpevnější materiál.
Izolační laky
Izolační laky mají vytvořit izolační povlak a v mnoha případech zároveň mechanicky zpevňují impregnované části. Zvětšují elektrickou pevnost, tepelnou vodivost a zmenšuje se možnost navlhnutí. Rozlišujeme: krycí laky, impregnační laky, respektive impregnační pryskyřici, zalévací laky a lepící laky.
Vinutí VN A VVN
Pro transformátory a autotransformátory vvn se používá vinutí s tvrdou izolací, s měkkou izolací a s kombinací obou druhů izolace. S tvrdou izolací se rozumí taková vinutí, kde radiální vzdálenost mezi vinutími je vyplněna izolačními válci z tvrzeného papíru a kanály, jimiž proudí termosifonovým oběhem nebo nuceným oběhem chladící olej. Měkká balená izolace dovoluje mnohem menší radiální vzdálenosti mezi vinutími, takže takový transformátor má menší rozměry a menší ztráty v železe i mědi. Odvádění tepla s povrchu vinutí je mnohdy obtížné, musíme zavést nucený oběh oleje přímo do vinutí. Na obrázku je nucený oběh oleje zaveden i do vinutí s tvrdou izolací a s izolačními manžetami v koncové stavbě vinutí.
Pokud se týká provedení vinutí, známé ve stavbě transformátoru vvn tři druhy vinutí
- a) vinutí cívkové přesouvané
- b) vinutí polohové
- c) kombinace cívkového a polohového vinutí
Chlazení
Transformátory se chladí vzduchem, olejem a ve zvláštních případech speciální izolační kapalinou. Druh chladivá a způsob chlazení musí být vyznačen na štítku transformátoru;jednotlivá písmena mají tento význam:
O-olej
L-nehořlavá izolační kapalina
G-plyn
W-voda
S-tuhý izolant
A-vzduch
Transformátory pro malé výkony nesmějí mít zvláštní chladící zařízení. Teplo se zde odvádí přirozeným stykem oteplených částí nebo stěn nádoby s okolním vzduchem. Pro intenzivní chlazení se používají ventilátory, které ofukují jednotlivé radiátory.
Transformátory chlazené vzduchem se umísťuje do speciální skříně, která má v horním části otvory pro odvod vzduchu. Vzduch se do skříně vhání ventilátorem.
Transformátor chlazený olejem je ponořen do oleje v o ocelové nádobě uzavřené víkem. Olej zvětšuje elektrickou pevnost, jednak odvádí teplo z povrchu vinutí a z magnetického obvodu k povrchu nádoby. Transformátory pro velké výkony mají olejové chlazení s nuceným oběhem oleje. Teplý olej se nasává v horní části nádoby, pod víkem transformátoru, a je tlačen přes vzduchový nebo vodní chladič do spodní části.
Nádoba transformátoru je trubka spojená s dilatační nádobou. Dilatační nádoba je válcová , upevněná u víka, do které se olej roztahuje při změně teploty. Mezi dilatační nádobu a nádobu je vloženo plynové relé, které zajišťuje odpojení transformátoru při jeho poruše. Plynové relé reaguje na vyvíjeni plynu v oleji, způsobené místním přehřátím některé části transformátoru při přetížení vinutí nebo poškození izolace. Kromě toho působí i při vniknutí vzduchu do nádoby nebo při unikání oleje z nádoby při jejím poškození.
Syntetické nehořlavé kapaliny se používají pro transformátory s velmi vysoká napětí a velké výkony nebo při požadavku zvlášť bezpečného provozu. Kapaliny se vyrábějí různých obchodních značek např. Pyranol, Sovol, Soptol a u nás pod názvem Delor 105 T. Označují se společným názvem askarely. Jejich
výhodou je, že jsou nehořlavé a nevýbušné a náplň vydrží bez regenerace až 25 let i více. Nevýhodou je, že jsou jedovaté a že případným elektrickým obloukem uvnitř nádoby vznikají jedovaté plyny, především chlorovodík.
Transformátory chlazené plynem (fluoridem sodným, SFe) jsou lehčí než olejové. Odvádějí teplo 3krát lépe než vzduch a jsou vhodné pro omezené prostory.
Na víku nádoby jsou porcelánové průduchy, které slouží k vyvedení konců vinutí transformátoru. Na přední straně transformátoru jsou průchodky vn; na zadní straně jsou průchodky nn.
Tří fázový transformátor
Magnetický obvod trojfázového transformátoru má tři jádra. Na obrázku je magnetický obvod jádrového transformátoru. Každé jádro patří jedné fázi a je na něm připevněno vinutí nižšího a vyššího napětí, blíže k jádru je umístěno vinutí nižšího napětí a teprve na něm je vinutí vyššího napětí.