transformátor nazývané statické elektromagnetické zařízení se dvěma nebo více indukčně vázanými vinutími a určené k přeměně jednoho nebo více střídavých systémů pomocí elektromagnetické indukce na jeden nebo více jiných střídavých systémů.
Pomocí transformátorů napětí stoupá nebo klesá, mění se počet fází a v některých případech se převádí frekvence střídavého proudu. Byla objevena možnost přenosu elektrických signálů z jednoho vinutí do druhého prostřednictvím vzájemné indukceM. Faraday v roce 1831; při změně proudu v jednom z vinutí navinutém na ocelovém magnetickém obvodu se ve druhém vinutí indukovalo EMF První prakticky fungující transformátor však vytvořil známý vynálezce P. N. Jabločkov ve spolupráci s I. F. Usagin v roce 1876. Jednalo se o dvouvinutý transformátor s otevřeným magnetickým obvodem.
V budoucnu bylo maďarskými elektrotechniky vytvořeno několik návrhů jednofázových transformátorů s uzavřeným magnetickým obvodem. O. Blaty, M. Dery и K. Tsipernoesky. Pro rozvoj transformátorového inženýrství a elektrotechniky vůbec je přínosem práce prof. A. G. Stoletová o studiu magnetických vlastností oceli a výpočtu magnetických obvodů.
Významnou roli v rozvoji elektrotechniky patří M. O. Dolivo-Dobrovolsky. Rozvinul základy teorie vícefázových a zejména třífázových střídavých proudů a vytvořil první třífázové elektrické stroje a transformátory. Třífázový transformátor moderní formy s rovnoběžnými tyčemi umístěnými ve stejné rovině vynalezl v roce 1891. Od té doby došlo k dalšímu konstrukčnímu vylepšení transformátorů, snížila se jejich hmotnost, rozměry a zvýšila se účinnost. V pracích byla rozpracována hlavní ustanovení teorie transformátorů E. Arnold и M. Vidmara.
Při vývoji teorie transformátorů a zdokonalování jejich konstrukce měla velký význam práce sovětských vědců. V. V. Koritsky, L. M. Piotrovsky, G. N. Petrov, A. V. Sapozhnikov, A. V. Trambitsky et al.
Transformátory jsou široce používány pro následující účely.
Pro přenos a rozvod elektrické energie. Typicky v elektrárnách generátory střídavého proudu vyrábějí elektrickou energii o napětí 6-24 kV. Je výhodné přenášet elektřinu na velké vzdálenosti při vysokém napětí, proto jsou v každé elektrárně instalovány transformátory pro zvýšení napětí.
V současné době se pro vysokonapěťová přenosová vedení v SSSR používají olejem chlazené výkonové transformátory s napětím 330, 500, a 750 kV a výkonem až 1200-1600 MB-A. V souvislosti s výstavbou dálkových přenosových vedení Ekibastuz – Center, Ekibastuz – Ural a dalších s napětím 1150 kV AC vytvořil náš elektrotechnický průmysl transformátorové skupiny sestávající ze tří jednofázových transformátorů o kapacitě 667 MB-A , a pro vedení 1500 V DC – dvanáctifázové měničové jednotky se čtyřvinutými transformátory o celkové kapacitě 1500 MB-A. Účinnost takových transformátorů je 98 – 99 % a vyšší.
Pro perspektivní elektrická vedení střídavého proudu o napětí 1800-2000 kV a stejnosměrného proudu o napětí 3000 kV se vyvíjejí transformátory s kapacitou 1320 MB-A na fázi.
Elektrická energie je distribuována mezi průmyslovými podniky a sídly, ve městech a na venkově i v rámci průmyslových podniků nadzemním a kabelovým vedením o napětí 220, 110, 35, 20, 10 a 6 kV. Proto musí být ve všech uzlech distribučních sítí instalovány transformátory snižující napětí. Kromě toho by měly být v místech spotřeby elektřiny instalovány transformátory snižující výkon, protože většina elektrických spotřebičů střídavého proudu pracuje jednou při napětí 220, 380 a 660 V). Transformátory používané pro tyto účely mohou být jedno- a třífázové, dvou- a třívinuté.
Poskytnout požadovaný obvod pro zapínání ventilů v zařízeních převodníku a přizpůsobit napětí na vstupu a výstupu převodníku. U ventilových měničů, které usměrňují střídavý proud nebo jej převádějí ze stejnosměrného na střídavý proud (invertory), závisí poměr napětí na vstupu a výstupu na obvodu ventilů. Pokud je tedy na vstup převodníku přivedeno standardní napětí, pak se na výstupu získá nestandardní napětí. Pro odstranění tohoto nedostatku jsou ventilové měniče zpravidla vybaveny transformátory, které poskytují standardní výstupní napětí s přijatým spínacím obvodem ventilů. Řada spínacích obvodů ventilů navíc vyžaduje povinné použití transformátoru. Transformátory používané k tomuto účelu se nazývají transformační. Jejich výkon dosahuje tisíců kilovoltampérů, napětí je 110 kV; pracují na frekvenci 50 Hz nebo více. Uvažované transformátory jsou jedno-, tří- a vícefázové s regulací výstupního napětí v širokém rozsahu a bez regulace.
Pro buzení výkonných turbo a hydrogenerátorů, elektropohonů a dalších účelů se v poslední době stále častěji používají transformátory s přirozeným chlazením vzduchem o napětí 3-24 kV a výkonu 133-6300 kV-A. Díky použití nové tepelně odolné izolace u těchto transformátorů je možné zvýšit jejich zatížitelnost a snížit hmotnost a rozměry 1,3-1,5x oproti dříve používaným olejovým chlazeným transformátorům.
Pro různé technologické účely: svařování (svařovací transformátory), napájení elektrotepelných instalací (transformátory elektrických pecí) atd. Jejich výkon dosahuje desítek tisíc kilovoltampér při napětí do 10 kV; obvykle pracují na frekvenci 50 Hz.
Pro napájení různých obvodů rozhlasových a televizních zařízení; komunikační zařízení, automatizace v telemechanice, elektrické spotřebiče; k oddělení elektrických obvodů různých prvků těchto zařízení; pro přizpůsobení napětí atd. Transformátory používané v těchto zařízeních mají obvykle nízký výkon (od několika voltampérů do několika kilovoltampérů), nízké napětí a pracují při frekvenci 50 Hz nebo více. Provádějí se s dvou-, tří- a vícenásobným vinutím; provozní podmínky, požadavky na ně a konstrukční zásady jsou velmi specifické.
Zahrnout elektrické měřicí přístroje a některá zařízení, jako jsou relé, do vysokonapěťových elektrických obvodů nebo do obvodů, kterými procházejí velké proudy, za účelem rozšíření limitů měření a zajištění elektrické bezpečnosti. Transformátory používané k tomuto účelu se nazývají měření. Mají relativně malý výkon, určený výkonem spotřebovaným elektrickými měřicími přístroji, relé atd.
Transformátory uvedené v kapitolách 1, 2, 3 a částečně v kapitole 4, určené k přeměně elektrické energie v sítích energetických systémů a spotřebitelů elektrické energie, se nazývají Napájení. Jejich způsob činnosti se vyznačuje konstantní frekvencí střídavého proudu a velmi malými odchylkami primárního a sekundárního napětí od jmenovitých hodnot.
Výkonové transformátory vyráběné tuzemskými továrnami jsou rozděleny do několika skupin (dimenzí) od I do VIII. Například transformátory s výkonem do 100 kV•A včetně jsou přiřazeny do velikosti I, od 160 do 630 kV • A – do velikosti II, od 1000 do 6300 kV • A – do velikosti III atd.
Tato kapitola se zabývá především teorií výkonových transformátorů; ostatní typy transformátorů jsou stručně zvažovány na základě obecné teorie.
PRINCIP PROVOZU TRANSFORMÁTORU
Elektromagnetický obvod jednofázového dvouvinutého transformátoru se skládá ze dvou vinutí (obr. 2.1) umístěných na uzavřeném magnetickém obvodu, který je vyroben z feromagnetického materiálu. Použití feromagnetického magnetického obvodu umožňuje posílit elektromagnetické spojení mezi vinutími, tj. snížit magnetický odpor obvodu, kterým prochází magnetický tok stroje. Primární vinutí 1 je připojeno ke zdroji střídavého proudu – elektrické síti o napětí u1. Zatěžovací odpor Z je připojen k sekundárnímu vinutí 2H.
Vinutí s vyšším napětím se nazývá vinutí s vyšším napětím (HV) a nízké napětí – nízkonapěťové vinutí (NN). Začátky a konce vinutí VN jsou označeny písmeny А и X; Vinutí NN – v písmenech а и ‘S.
Po připojení k síti se v primárním vinutí objeví střídavý proud i1 , který vytváří proměnný magnetický tok Ф, uzavírající se podél magnetického obvodu. Flux F indukuje variabilní EMF v obou vinutích – е1 и е2, úměrné, podle Maxwellova zákona, počtu závitů w1 и w2 vhodné vinutí a rychlost změny toku dФ/dt.
Rýže. 2.1. Elektromagnetický systém s jednofázovým transformátorem: 1,2 – primární a sekundární vinutí; 3 – magnetický obvod
Okamžité hodnoty EMF indukované v každém vinutí,
е1 = – w1 df/dt; e2= -w2dФ/dt.
Proto je poměr okamžitého a efektivního EMF ve vinutí určen výrazem
Pokud zanedbáme úbytky napětí ve vinutí transformátoru, které obvykle nepřesahují 3 – 5 % jmenovitých hodnot napětí U1 и U2, a počítat E1≈U l и Е2≈U2, pak dostaneme
Proto volte počet závitů vinutí vhodným způsobem pro dané napětí U1 můžete získat požadované napětí U2. Pokud je nutné zvýšit sekundární napětí, pak počet závitů w2 vzít více w1; takový transformátor se nazývá vzrůstající. Pokud potřebujete snížit napětí U2, pak počet závitů w2 vzít menší w1; takový transformátor se nazývá snížení,
EMF poměr ЕVN vyšší napětí vinutí na EMF ЕNN nazýváme nízkonapěťová vinutí (nebo poměr jejich počtu závitů). transformační poměr
Koeficient k vždy větší než jedna.
V systémech přenosu a distribuce energie se v některých případech používají transformátory se třemi vinutími a v rádiové elektronice a automatizačních zařízeních se používají transformátory s více vinutími. V takových transformátorech jsou na magnetickém obvodu umístěny tři nebo více vinutí navzájem izolovaných, což umožňuje získat dvě nebo více různých napětí, když je jedno z vinutí napájeno. (U2, NEBO3, NEBO4 atd.) pro zásobování dvou nebo více skupin spotřebitelů. U třívinutých výkonových transformátorů se rozlišují vinutí vyšších, nižších a středních (CH) napětí.
Transformátor pouze převádí napětí a proudy. Výkon zůstává přibližně konstantní (poněkud klesá vnitřními energetickými ztrátami v transformátoru). Proto,
Se zvýšením sekundárního napětí transformátoru v k krát ve srovnání s primárním proudem i2 v sekundárním vinutí, resp k krát.
Transformátor může pracovat pouze ve střídavých obvodech. Je-li primární vinutí transformátoru připojeno ke zdroji stejnosměrného proudu, pak se v jeho magnetickém vodiči vytváří magnetický tok, který je v čase co do velikosti i směru konstantní. Proto se v primárním a sekundárním vinutí v ustáleném stavu neindukuje žádné EMF, a proto se žádná elektrická energie nepřenáší z primárního okruhu do sekundárního. Tento režim je pro transformátor nebezpečný, protože kvůli nedostatku EMF E1 proud primárního vinutí I1 =U1R1 docela velký.
Důležitou vlastností transformátoru používaného v automatizačních a elektronických zařízeních je jeho schopnost převádět zátěžový odpor. Pokud je ke zdroji střídavého proudu připojen odpor R přes transformátor s transformačním poměrem do pak pro zdrojový obvod
R ‘ = P1/I1 2 ≈ P2/I1 2 ≈ já2 2 R/I1 2 ≈ k 2 R
kde Р1– výkon spotřebovaný transformátorem ze střídavého zdroje, W; Р2 = I2 2 R≈ P1 je výkon spotřebovaný odporem R z transformátoru.
To znamená, že transformátor změní hodnotu odporu R na k 2 krát. Tato vlastnost je široce používána při vývoji různých elektrických obvodů pro přizpůsobení zátěžového odporu vnitřnímu odporu zdrojů elektrické energie.
42. Ideální a skutečné transformátory. Vektorové schéma a ekvivalentní obvody.
