Transformatory. Budowa i sposób działania

Transkrypt

1 Transformatory Energię elektryczną można w sposób ekonomiczny przesyłać na duże odległości tylko wtedy, gdy stosuje się wysokie napięcia i małe wartości prądu. Zadaniem transformatorów jest przetwarzanie (transformowanie) prądów i napięć przemiennych na prądy i napięcia o niższej lub wyższej wartości. Zgodnie z normą wyróżnia się: transformatory małe ( moc do 16 kva), transformatory duże (moc ponad 16 kva do ok. 20 MVA). Budowa i sposób działania Transformatory mogą być wykonywane jako jednofazowe lub trójfazowe. Składają się z dwóch lub więcej cewek, oddzielonych od siebie elektrycznie. Wyjątkiem jest autotransformator. Cewki transformatora są ze sobą sprzężone magnetycznie, przez wspólny rdzeń żelazny. Jeżeli uzwojenie pierwotne (wejściowe) zostanie przyłączone do źródła napięcia przemiennego, płynący przez nie prąd wytwarza w rdzeniu zmienne pole magnetyczne. Pole to indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym (wyjściowym). Częstotliwość napięcia w uzwojeniu wtórnym jest taka sama jak w uzwojeniu pierwotnym. Stosunek wartości napięcia wejściowego U A do wyjściowego U 2 nazywa się przekładnią n transformatora. Jeżeli pominiemy straty (transformator idealny), odpowiada ona stosunkowi ilości zwojów uzwojeń uzwojenia wejściowego do uzwojenia wyjściowego. Typy budowy transformatorów płaszczowy, t yp m Odróżniamy transformatory rdzeniowe (rys. 1 i 2) oraz płaszczowe (rys. 3). Transformatory płaszczowe mają rdzenie, które obejmują uzwojenia. Do budowy takich rdzeni służą np. blachy o wykroju M oraz El. Transformatory jednofazowe Rdzenie transformatorów są składane z izolowanych od siebie blach, żeby zmniejszyć straty pochodzące od prądów wirowych.

2 Wykroje blach najczęściej dobiera się w zależności od mocy transformatora. Wykroje M dla transformatorów dwufazowych do ok. 200 VA Wykroje El dla transformatorów jednofazowych do ok VA Wykroje Ul dla transformatorów jednofazowych do ok. 12 kva Wykroje El dla transformatorów trójfazowych do ok. 50 kva. Przy większych mocach wykroje nie są znormalizowane. Dla wszystkich wykrojów znormalizowanych wg DIN istnieją odpowiedniki w postaci tzw. rdzeni taśmowych. Rdzenie taśmowe są nawijane z blach o uporządkowanych dipolach magnetycznych, najczęściej o grubości 0,1 mm. Mają one znacznie mniejsze straty od rdzeni składanych z blach wykrawanych. Taśmy są sklejane w pakiety i szlifowane w miejscach przecięcia (rys.). Połówki rdzeni są dobierane parami i oznaczane w celu uniknięcia pomylenia albo złożenia odwrotnie. Rdzenie wykonane z blachy transformatorowej mogą pracować przy gęstości strumienia magnetycznego do około 1,2 Tesla. W przypadku rdzeni taśmowych możliwa jest gęstość 1,6 Tesla do 1,85 Tesla. Lepsze wykorzystanie magnetyczne prowadzi do zmniejszenia wymiarów. Wadą rdzeni taśmowych jest wyższa cena. Rdzenie te stosuje się wtedy, gdy ważne są mniejszy ciężar i wymiary, np. w urządzeniach przenośnych. W małych transformatorach napięciem wyjściowym U 2 jest napięcie, przy którym odbieramy z uzwojenia wtórnego moc znamionową przy znamionowej częstotliwości. Zakłada się przy tym współczynnik mocy cos = 1 (obciążenie czynne). Napięcie biegu luzem (jałowego) U 20 jest to napięcie zmierzone na zaciskach wyjściowych transformatora nie obciążonego.

3 W każdym transformatorze występują straty. Składają się na nie niezależne od obciążenia straty na przemagnesowywanie i prądy wirowe, oraz zależne od obciążenia straty w uzwojeniach. Część pobieranej mocy zamienia się w ciepło na oporności czynnej uzwojeń. Inną część pochłania przemagnesowywanie rdzenia. Wskutek tego napięcie wyjściowe przy pracy znamionowej jest mniejsze niż przy biegu luzem. Aby wyrównać ten spadek napięcia, nawija się w uzwojeniu wtórnym odpowiednio więcej zwojów. To oznacza, że napięcie wyjściowe U 2 ma wartość znamionową tylko przy znamionowym obciążeniu, zaś przy biegu luzem przyjmuje większą wartość, nazywaną właśnie napięciem biegu luzem (biegu jałowego) l/ 20. Omawiany spadek napięcia podaje się w procentach. Jest on tym większy, im mniejsza jest moc transformatora. Przy mocy 5 VA wynosi około 35%, zaś przy mocy 50 kva około 1,2%. Napięcie wyjściowe transformatora jest zależne od obciążenia. Warunki pracy transformatorów O transformatorach z małym spadkiem napięcia mówimy, że mają sztywne napięcie. Mają one rdzeń bez szczelin powietrznych. Obydwa ich uzwojenia są nawinięte jedno na drugim. Dzięki temu mają mniejsze napięcie zwarciowe U k. Takie transformatory mogą pełnić funkcję transformatorów bezpieczeństwa, sterujących i sieciowych. Jeżeli uzwojenia strony wysokonapięciowej i niskonapięciowej rozmieszczone są oddzielnie, np. na różnych kolumnach albo na podzielonych na sekcje karkasach, powstają pola rozproszone. Nadają one transformatorowi cechę miękkości napięcia. Napięcie zwarcia U k jest wtedy większe. Takie transformatory znajdują zastosowanie jako transformatory do zabawek, dzwonkowe i zapłonowe. Do spawarek i do gazowanych lamp wyładowczych buduje się transformatory rozproszeniowe, zaopatrzone w zworę rozpraszającą umieszczoną pomiędzy uzwojeniem wejściowym i wyjściowym. Jako źródła napięcia nastawianego budowane są transformatory regulowane z rdzeniami pierścieniowymi. S

4 Rodzaje wykonania transformatorów Oznaczenia uzwojeń mają postać numeryczną. Pierwsza cyfra 1 oznacza uzwojenie wejściowe, a 2 wyjściowe. Druga cyfra 1 oznacza początek, a 2 koniec uzwojenia. Wymagania dotyczące transformatorów są różne, w zależności od zastosowań. Małe transformatory są oznaczane symbolami graficznymi (Tabela).

5 Prąd załączania transformatora może osiągnąć dziesięciokrotną wartość prądu znamionowego. Jest on największy, gdy wartość chwilowa napięcia sieciowego w momencie załączania jest równa zeru, a pozostałość magnetyczna rdzenia ma ten sam kierunek, co narastający strumień magnetyczny. Rdzeń nasyca się wtedy magnetycznie i nie ma działania ograniczającego prąd. Napięcie zwarcia mierzy się przy zwartym uzwojeniu wtórnym (rys.). Uzwojenie pierwotne przyłącza się do źródła o regulowanym napięciu i zwiększa się to napięcie od zera do chwili, gdy w uzwojeniu pierwotnym będzie płynął prąd o wartości znamionowej. Napięcie zmierzone w tych warunkach jest napięciem zwarcia U k. Napięcie zwarcia transformatora podaje się zwykle w procentach, I w stosunku do znamionowego napięcia wejściowego. Jeżeli na zaciskach wyjściowych transformatora wystąpi zwarcie, to w pierwszej chwili popłynie prąd nazywany początkowym prądem zwarciowym. Może on być prawie dwukrotnie większy od długotrwałego prądu zwarciowego, który ustala się po kilku okresach. Im mniejsze jest napięcie zwarciowe transformatora, tym większy i groźniejszy jest przy zwarciu początkowy i długotrwały prąd zwarciowy.

6 Sprawność - Stosunek mocy oddawanej P 2 do mocy pobieranej nazywa się sprawnością transformatora. Moc pobierana jest większa od oddawanej o wartość strat w żelazie i strat w uzwojeniach. Transformator, którego uzwojenie wtórne nie jest obciążone, pobiera po stronie pierwotnej prąd biegu luzem. Przy biegu luzem straty w uzwojeniach są pomijalnie małe, więc moc biegu luzem odpowiada mocy strat w żelazie rdzenia. Podczas pomiaru napięcia zwarcia przy zwartym uzwojeniu wtórnym, już przy bardzo małym napięciu wejściowym płyną w uzwojeniach prądy znamionowe. Przy takim małym napięciu namagnetyzowanie rdzenia jest tak nieznaczne, że praktycznie nie występują straty w żelazie. Moc pobierana przez transformator podczas pomiaru napięcia zwarciowego odpowiada wielkości strat w uzwojeniach Napięcie zwarcia transformatora jest miarą jego zachowania się przy obciążaniu. Transformatory o małym napięciu zwarcia są napięciowo sztywne, zaś te o dużym napięciu zwarcia są napięciowo miękkie.

7 Transformatory trójfazowe Transformatory trójfazowe (rys. 1) służą np. do zasilania urządzeń przełączających i sterujących. Jako transformatory zasilające łączą sieć wysokiego napięcia z siecią niskiego napięcia. Mają one małe straty, niskie napięcie zwarciowe i wobec tego są napięciowo sztywne. Uzwojenia transformatorów trójfazowych są łączone w trójkąt, w gwiazdę albo w zygzak. Układ połączeń uzwojeń wysokiego napięcia (wn) jest oznaczony dużą literą (D - trójkąt, Y - gwiazda), a układ połączeń uzwojeń niskiego napięcia (nn) małą literą (d - trójkąt, y - gwiazda, z - zygzak). Zależnie od układów połączeń stron wysokiego i niskiego napięcia (tzw. grupa połączeń) otrzymuje się różne przesunięcia fazowe pomiędzy napięciami (Tabela). Cyfra oznaczająca grupę połączeń pomnożona przez 30 daje odpowiednio kąt fazowy pomiędzy górnym i dolnym napięciem transformatora. Grupa połączeń Dy5 oznacza: strona wn połączona w trójkąt, strona nn połączona w gwiazdę, kąt fazowy = 150. Transformatory trójfazowe, np. w energetycznych sieciach zasilających, pracują w układzie równoległym. Warunki pracy równoległej transformatorów trójfazowych: Jednakowy numer grupy połączeń. Jednakowe napięcie wejściowe. Jednakowe napięcie wyjściowe. Stosunek mocy znamionowych nie powinien być większy niż 1 : 3 Napięcia zwarciowe mogą się różnić między sobą najwyżej o 10%

8