Princip transformace napětí

Princip transformace napětí

Transformátor je netočivý stroj, který na principu elektromagnetické indukce. Mění elektrickou energii na elektrickou energii s týmž kmitočtem. Přeměna (transformace) probíhá tak, že se mění vyšší napětí na nižší napětí nebo naopak. Jednofázový transformátor se skládá z magnetického obvodu a dvou cívek. Části magnetického obvodu, na kterém jsou umístěny cívky, nazýváme jádra, vrchní a spodní částí jsou spojeny. Cívka (vinutí) s počtem závitů N1 je připojena na zdroj střídavého napětí a nazývá se vstupní cívka. Cívka s N2 závity, na kterou se připojuje zátěž (spotřebič), se nazývá výstupní (schéma transformátoru je na listu 3 obr. 1).

Transformátor nakrátko

Výstupní svorky transformátoru nakrátko jsou spojeny bezodporovou spojkou. Výstupní napětí U2 se rovná nule a celé vstupní napětí U1 se spotřebuje ve vinutí transformátoru.

Ustálený proud nakrátko:

I1k=U/vR2 + X2=U1/Z a cos  1k =R/Z

Kde Z je impedance transformátoru. Běžné transformátory mají malou impedanci. Úbytky napětí jsou malé, a proto jejich zkratové proudy jsou velké a pro transformátory nebezpečné, neboť namáhají vinutí jak tepelně, tak i mechanicky. Jejich vinutí musí být dobře upevněno a staženo, aby vydrželo první náraz dynamických sil při zkratu. Na obr. 4 je názorový diagram transformátoru nakrátko. Zkratový proud je časově proměnný proud po náhlém spojení transformátoru nakrátko při určitém napětí, proud nakrátko je ustálený proud transformátoru při stavu nakrátko. Impedanci transformátoru a tzv.. napětí nakrátko zjišťujeme měřením na transformátoru spojeném nakrátko. Napětí nakrátko U1k je napětí na vstupní straně, při kterém prochází vstupním vinutím transformátoru jmenovitý prou I1N, jsou-li jeho výstupní svorky spojeny nakrátko. Napětí nakrátko se udává v procentech jmenovitého vstupního napětí U1N a říká se mu procentní napětí nakrátko. Procentní napětí nakrátko je udáno na štítku transformátoru a je důležité pro určení ustáleného proudu nakrátko a pro paralelní spojování transformátorů.

Zatížený transformátor:

Na obr. 5 jsou znázorněny poměry při zatíženém transformátoru. Výstupní napětí U2 vyvolá ve vnějším obvodu proud I2, který prochází také vinutím N2 a v jádru budí indukční tok I2. Podle Lentová pravidla působí tento indukční tok vždy proti toku I1. Oba toky se vektorově skládají ve výsledný indukční tok. Při odlehčení transformátoru se zmenší proud I2, a tím se zmenší i tok I2, což způsobí, že se na okamžik zvětší výsledný tok I, který ve vstupním vinutí indukuje vyšší napětí Ui1. Toto napětí působí proti svorkovému napětí U1, které potom protlačí vinutím menší proud. Tím zase výsledný indukční tok poklesne na původní hodnotu. Při větším zatížení je tomu naopak. To znamená, že při každé změně zatížení se vstupní proud vždy přizpůsobuje nastalé změně, a to tak, aby se vyrušil magnetizační účinek výstupního proudu.U ideálního transformátoru (tj. transformátoru beze ztrát) se zdánlivý příkon S1=U1I1 rovná zdánlivému výkonu S2=U2I2 a za toho předpokladu je potom převod

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

Za předpokladu, že je stejná hustota proudu ve vstupním a výstupním vinutí, platí

J=I1/Sv1=I2/Sv2

A z toho

I2/I1=Sv2/Sv1=p

(kde Sv1 je průřez vstupního vinutí a Sv2 je průřez výstupního vinutí)

V každém transformátoru vznikají úbytky napětí, a to vinou činného odporu a reaktance vinutí. Odečteme-li tyto úbytky od napětí U1, dostaneme tzv. vnitřní napětí, které je menší než indukované napětí při chodu naprázdno. Po odečtení úbytku na výstupní straně od Ui2 dostaneme svorkové napětí U2 transformátoru při zatížení.

Transformátor naprázdno:

Připojíme-li vstupní vinutí na střídavé napětí U1 a na výstupní vinutí nepřipojíme žádnou zátěž, říkáme, že transformátor pracuje naprázdno (obr.2). Transformátor v tomto případě odebírá proud I10, který je fázově posunut za napětím téměř o 90 °, neboť transformátor představuje pro síť indukční zařízení. Proud I10 podle názorového diagramu (obr.3) má dvě složky. Magnetizační proud Iu=Ij, jehož fázor je kolmý k fázoru napětí U1 a činný proud Ife=Ič, který je ve fázi s napětím U1. Proud Ife kryje ztráty v magnetickém obvodu a ve vstupním vinutí. Magnetizační proud Iu budí střídavý indukční tok. Časovou změnou indukčního toku se ve vstupním vinutí indukuje napětí U i1 a ve výstupním vinutí napětí Ui2. Obě napětí Ui1 a Ui2, jsou za indukčním tokem zpožděna o 90°°, takže jsou v protifázi s napětím U1. Na svorkách výstupního vinutí je napětí U2=Ui1. Indukované napětí v jednom závitu U1Nje stejně velké ve vstupním vinutí jako ve výstupním vinutí. Indukovaná napětí Ui1 a Ui2 jsou přímo úměrná počtu závitů N1 a N2, takže:

Ui1=U1N N1 Ui2 =U1N N2

Poměr indukovaných napětí

Ui1/Ui2=p

Se nazývá převod nebo také transformační poměr. Protože při chodu transformátoru naprázdno platí Ui1=U1 a Ui2=U2, je převod také poměrem:

P=U1/U2=N1/N2

Napětí jsou přímo úměrná počtu závitů. Do názorového diagramu zakreslujeme tzv. výstupní napětí přepočítané na vstupní stranu. Kdybychom do něho vynášeli skutečné výstupní napětí, byl by například při převodu transformátoru p=22000/400=55 je fázor výstupního napětí mnohem menší než fázor vstupního napětí, což by činilo potíže při kreslení názorového diagramu. V okamžiku připojení nezatíženého transformátoru k síti vznikne proudový náraz, který může být až 15 krát větší, než jmenovitý proud, protože impedance transformátoru je malá. Po vybuzení magnetického toku se  proud transformátoru při chodu naprázdno ustálí a činí asi 3% až 10% jmenovitého proudu. Menší hodnoty platí pro větší transformátory. Proud je za vstupním napětím časově posunut téměř o 90 °.