21ZEL2 Transformátory

Transkript

1 1ZEL Transformátory Jan Zelenka ČVUT Fakulta dopravní Praha 019 1

2 Úvod

3 co je transformátor? je netočivý elektrický stroj umožňuje přenášet elektrickou energii mezi obvody pomocí vzájemné magnetické indukce Mění napětí, frekvence zůstává stejná Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 3

4 Rozdělení transformátorů Podle použití Energetické: blokový (generátor elektrárny na vedení vvn), Distribuční (z vedení vvn/vn ke spotřebiteli) Napájecí (pro transformaci nízkého napětí na vyšší napětí) Bezpečnostní (jako napájecí, ale zajištěná izolační pevnost - pro napájení obvodů ve zdravotnictví, v hračkách a v spotřebičích ve třídě III) Rozptylový (s magnetickým bočníkem, pro svařování, napájení výbojek a speciální aplikace) Regulační (autotransformátory, ferorezonanční stabilizátory,...) Měřicí (napěťové, proudové, kombinované) Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 4

5 Rozdělení transformátorů Podle konstrukce magnetického obvodu Jádrové Plášťové Toroidní Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 5

6 Rozdělení transformátorů Podle počtu fází Jednofázové Trojfázové Speciální vícefázové, měniče počtu fází Podle počtu vinutí Dvojvinuťové (primár,sekundár) Vícevinuťové (primár,sekundár,terciár ) Podle provedení chlazení vzduchové olejové zalité v tuhém izolantu Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 6

7 části transformátorů -I vinutí primární sekundární (ostatní ) magnetický obvod konstrukce transformátorů jádrové plášťové toroidní izolační systém Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 7

8 části transformátorů -II primární vinutí slouží k převodu elektrické energie na magnetickou procházející proud vytváří magnetický tok, dále vedený magnetickým obvodem (jádrem) k sekundární cívce sekundární vinutí v cívce se dle Faradayova zákona indukuje elektrické napětí. Proto transformátor pracuje jen na střídavý nebo pulzující proud, protože u SS se nemění magnetický tok (tj. derivace konstantního toku je nulová) a na sekundárním vinutí nevzniká napětí. u_i=n dφ/dt. Uvažujeme-li magnetický tok identický pro obě cívky a v souladu se zákonem zachování energie, dostaneme rovnici ideálního transformátoru (bez ztrát). k=n/n1 =U/U1 =I1/I Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 8

9 části transformátorů -III magnetický obvod Účelem magnetického obvodu většiny transformátorů je zajistit, aby co nejvíce magnetických siločar procházelo zároveň primární a sekundární cívkou, tedy aby ztráty byly co nejmenší a účinnost co nejvyšší možná Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 9

10 ztráty ztráty nakrátko ( v mědi ) ztráty naprázdno ( v železe ) Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha

11 Energetická bilance P 1 ztráty P P j P Fe I P j1 I 1 U. 1 f x = P h + P e η = P P = P 1 P P = 1 P P 1 100

12 Ztráty nakrátko ztráty nakrátko Jsou způsobeny ohmickým odporem vodiče tvořícího vinutí primární a sekundární cívky. Vinutí je obvykle z mědi nebo hliníku. Díky průchodu proudu tímto vodičem dochází k přeměně části přenášené energie na Jouleovo teplo, které se vyzáří v podobě tepelné energie a způsobuje oteplení vinutí transformátoru. Ztráty nakrátko jsou proměnlivé podle zatížení transformátoru, tedy podle toho jak velký výkon transformátor přenáší. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 1

13 Ztráty nakrátko ztráty nakrátko měří se při zkratovaném sekundárním vinutí a při napájení transformátoru napětím sníženým na takovou úroveň, aby proud primárním vinutím byl roven jmenovitému proudu (a nebo se na tyto podmínky následně přepočítávají). Z tohoto měření se vypočítá napětí nakrátko, ztráty nakrátko a hodnoty prvků náhradního obvodu transformátoru: odpory vinutí R1+p^*R a rozptylové toky vinutí. Napětí nakrátko je charakteristickou hodnotou transformátoru a často se udává v procentech jmenovitého napětí. Čím větší je napětí nakrátko, tím menší je proud nakrátko a tím menší jsou i ztráty ve vinutí transformátoru. Transformátory s velkým zkratovým napětím jsou měkké zdroje napětí, transformátory s malým zkratovým napětím jsou tvrdé zdroje napětí. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha

14 Ztráty naprázdno ztráty naprázdno ztráty především v magnetickém obvodu (jádru) magnetizační ztráty ztráty vířivými proudy v jádru a dále v menší míře magnetostrikce ztráty vířivými proudy ve vinutí Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha

15 Magnetizační ztráty Magnetizační ztráty jsou ztracená energie potřebná k přemagnetování feromagnetického materiálu při střídavém magnetování. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha

16 Vířivé proudy v jádru Vířivé proudy v jádru vznikají na principu Faradayova zákona (elmg. indukce). V tomto případě je to parazitní jev, kdy dochází k naindukování napětí v železném magnetickém obvodě transformátoru. Jelikož jde o kus materiálu je obvod uzavřen a může protékat zkratový proud - (Vířivý proud). Ten je kolmý na směr magnetického indukčního toku. Z důvodu snížení těchto ztrát se magnetický obvod vyrábí z navzájem izolovaných plechů. Vířivý proud je totiž úměrný kvadrátu plochy, na které se indukuje. Rozdělíme-li tuto plochu rozplechováním např. na 100x menší obdélníkové oblastí bude v každém plechu x menší ztráta vířivým proudem. Jelikož je plechů 100 jsou celkové ztráty 100x menší než v případě magnetického obvodu z jednoho kusu. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha

17 Magnetostrikce Magnetostrikce změna mechanických rozměrů magnetického obvodu úměrná magnetickému toku. Tyto periodické změny jsou pak dobře slyšitelné jako tichý tón o dvojnásobku frekvence budícího napětí. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha

18 Vířivé proudy ve vinutí Vířivé proudy ve vinutí principiálně stejný vznik jako v jádru, pro jejich snížení se i vinutí zhotovuje složením z více navzájem odizolovaných tenčích vodičů. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha

19 Ztráty naprázdno ztráty naprázdno Ztráty naprázdno se zjišťují měřením naprázdno. Při něm je transformátor napájen do primárního vinutí jmenovitým napětím a současně má všechny ostatní svorky rozpojeny = bez zátěže. Činný proud vstupního vinutí je tedy spotřebován na ztráty naprázdno a můžeme je z něj snadno spočítat. Z měření naprázdno určujeme: proud naprázdno, ztráty naprázdno, převod transformátoru, prvky náhradního obvodu: hlavní indukčnost, elektrický odpor odpovídající ztrátám naprázdno. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha

20 Izolační systém Izolační systém vinutí pro malé síťové transformátory jsou zhotovována z lakovaných drátů různého průměru. Cívka se navíjí na cívkové tělísko závit po závitu a jednotlivé vrstvy vinutí jsou prokládány izolací. Povrch cívky je izolován lepenkou nebo plátnem. Většina síťových transformátorků se následně impregnuje vakuotlakovou impregnací. Čím je vinutí dimenzováno na vyšší napětí a větší proudy, tím je výroba cívek obtížnější. otřídy izolace vinutí: Y (<90 C), A (<105 C), E (<10 C), B (<130 C), F (<155 C), H (<180 C), G (>180 C) Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 0

21 Trojfázové transformátory Trojfázové transformátory jádro se třemi sloupky, na jednom sloupku mohou být dvě nebo tři vinutí. Jedná se o jeden ze základních stavebních prvků přenosové soustavy. Typické použití je tedy pro distribuci elektrické energie ve trojfázové soustavě - pro zvýšení napětí pro dálkový přenos a naopak snížení napětí pro distribuci v místních sítích nebo pro koncové uživatele. Pro přenos energie se obvykle používá třívodičová třífázová soustava (fáze L1, L, L3), pro koncovou spotřebu je naopak výhodná čtyřvodičová soustava (L1, L, L3 a N). Třífázové transformátory mohou převádět třívodičovou soustavu na čtyřvodičovou a naopak dle zapojení D (trojúhelník), Y (hvězda), popř. Z (lomená hvězda). Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 1

22 Trojfázový systém ω u u u a b c = U = U = U max max max sin( ωt + Θ sin( ωt + Θ sin( ωt + Θ ) π ) 3 4π ) 3 u U a U c Θ 0 ω t U b u b u c u a

23 Trojfázový transformátor

24 Trojfázový transformátor

25 Magnetický obvod trojfázového transformátoru

26 3f transformátory způsoby Způsoby zapojení Trojúhelník - D Hvězda - Y (Lomená hvězda Z) zapojení U 3f motorů se rovněž používají tato zapojení, s tím, že pro velké výkony se běžně používá přepínač Y-D, kdy v zapojení Y je výkon a tedy i náběhový proud menší, po rozběhu rotoru do jmenovitých otáček je přepnut do D pro větší výkon. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 6

27 Zapojení vinutí trojfázového transformátoru

28 Zapojení sekundárního vinutí PRIMÁRNÍ SEKUNDÁRNÍ Yy... Yd... Yz...

29 3f transformátory způsoby zapojení Způsoby zapojení Primární a sekundární vinutí 3f transformátoru nemusí být zapojeny stejně, záleží na potřebách. Následující tabulka znázorňuje možné kombinace (velké písmeno primár, malé sekundár, číslo vyjadřuje hodinový úhel v násobku 30, jedná se o posunutí fáze napětí sekundáru vůči primáru. Transformátory, Jan Zelenka, ČVUT FD 1ZEL, Praha 019 9

30 Paralelní spolupráce Praktická potřeba spojit více transformátorů k paralelnímu napájení Je výhodnější použít více menších transformátorů místo jednoho velkého: Při výpadku náhrada Při snížení spotřeby odpojení (snížení ztrát naprázdno)

31 Paralelní spolupráce Podmínky pro paralelní chod: Stejný převod p Stejná jmenovitá napětí U n Stejné napětí nakrátko u k (p.j.) Stejný hodinový úhel Rozdíl ve výkonech < 1:3 Rozdíly v u k nebo k vedou k nevyváženému zatížení transformátorů

32 400 kva / 0,4 kv

33 kva kv

34 Náhradní schéma 34

35 Jednofázový transformátor Vstupní vinutí Magnetický obvod Φ 1h0 u 1 u i10 N 1 i 10 N u i0 u 0 Výstupní vinutí

36 Indukované napětí U i ve vinutí Φ h = Φ max. sin ωt u i = N. dφ /dt = N. Φ max. ω. cos ωt U = U max ω = πf pro sinusový průběh U i 1 = N1 Φmax ω N p = N π = i 1 4, i1 = převod U U U i1 = 4,44 f 1 N 1 Φ max U i = 4,44 f 1 N Φ max Pozor! U i efektivní hodnota Φ max maximální hodnota

37 Náhradní schéma transformátoru U 1 U i1 ' U i I 1 Podmínky přepočtu: - Sekundární vinutí nahradíme vinutím, které má N 1 závitů - Přepočet nesmí mít vliv na primární stranu stroje - Energetické poměry ve stroji se nesmí změnit - Přepočtené hodnoty označujeme apostrofem N =

38 Náhradní schéma transformátoru U 1 U i1 ' U i I 1 I ' U = U p U Přepočet napětí: i i1 i Přepočet proudů (z podmínky zachování magnetického toku): = N = 1I1 + NI = N1I1 + N1I N1I NI I = 1 I p

39 Náhradní schéma transformátoru U 1 U i1 ' U i R z ' = p.r z I 1 I ' U = U p U Přepočet napětí: i i1 i I = 1 I p Přepočet proudů: Přepočet impedancí: = P j R I I = = RI R = R = p R I

40 X 1σ Zjednodušené náhradní schéma U 1 U i1 X σ I 1 U i U R z I R k X k R ' = p.r R k = R 1 + R ' U 1 I 1 U ' R z ' R z ' = p.r z X σ ' = p.x σ X k = X 1σ + X σ '

41 X 1σ Zjednodušené náhradní schéma U 1 U i1 X σ I 1 U i U R z I R k X k R ' = p.r R k = R 1 + R ' U 1 I 1 U ' R z ' R z ' = p.r z X σ ' = p.x σ X k = X 1σ + X σ ' Impedance nakrátko: Fázor Velikost Z ˆ = R + Z = R + k k k k X jx k k

42 Magnetizační proud I µ Pro I = 0 je náhradní schéma vstupní části transformátoru: Φ 1σ Φ 1h I 10 = R 1 U + ( X 10 1σ + X 1h ) U X 10 1h = I µ

43 Ztráty v jádře transformátoru P Fe P Fe = f ( B hm, f ) Ztráty se v náhradním schématu vyjadřují vhodně umístěným rezistorem. Náhradní odpor R Fe se připojí paralelně k hlavní reaktanci X 1h

44 Úplné náhradní schéma transformátoru I ˆ = Iˆ + Iˆ 1 0

45 Jednofázový transformátor listy svitky Plášťový transformátor 1 Jádrový transformátor

46 Zapojení pro dosažení stejného napětí

47 Výpočty 47