Transformátory Střední odborná škola Otrokovice www.zlinskedumy.cz Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František Kocián Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /5 Autor Ing. František Kocián Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-AE-EP/2-EL-6/5 Název DUM Transformátory Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 26-57-H/01 Obor vzdělávání Autoelektrikář Vyučovací předmět Elektropříslušenství Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 17 – 18 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem, náplň: Základní pojmy, druhy transformátorů, princip činnosti, konstrukce transformátorů, elektrické zapojení transformátorů Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Transformátor, druhy transformátorů, princip činnosti, konstrukce transformátorů, elektrické zapojení transformátorů Datum 30. 8. 2013

Transformátory Náplň výuky Základní pojmy Princip činnosti Druhy transformátorů Konstrukce transformátorů Třífázové transformátory Elektrické zapojení transformátorů Údržba a opravy transformátorů

Základní pojmy Transformátory – netočivé elektrické stroje, které využívají elektromagnetickou indukci závislou na časově proměnném magnetickém toku. Umožňuje přenášet elektrickou energii z jednoho obvodu do jiného pomocí vzájemné elektromagnetické indukce. Používá se většinou pro přeměnu střídavého napětí (např. z nízkého napětí na vysoké) nebo pro galvanické oddělení obvodů. Transformatory mohou být jednofázové nebo třifázové, u třífázových transformátorů je možná různá kombinace vinuti tj. hvězda či trojúhelník. Obr. 1: Jednofázový transformátor

Princip činnosti Základní části – vinutí (primární, sekundární), magnetický obvod. Primární vinutí slouží k převodu elektrické energie na magnetickou. Procházejícím proudem se vytváří magnetický tok Φ [Fí]. Tento tok je veden magnetickým obvodem (jádrem) k sekundární cívce. Účelem magnetického obvodu většiny transformátorů je zajistit, aby co nejvíce magnetických siločar procházelo zároveň primární a sekundární cívkou. V sekundární cívce se podle principu Faradayova indukčního zákona (viz zákon elektromagnetické indukce) indukuje elektrické napětí. Proto transformátor pracuje jen na střídavý nebo pulsující proud. Rovnice ideálního transformátoru (bez ztrát): Obr. 2: Princip transformátoru

Druhy transformátorů Podle počtu fází Jednofázový Trojfázový Speciální (dvě nebo více fází, měniče počtu fází) Podle konstrukce magnetického obvodu Plášťový Jádrový Toroidní Podle použití Energetický transformátor (blokový, distribuční, napájecí) 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) Zapalovací cívky atd.

Konstrukce transformátorů Konstrukce magnetického obvodu průřez jádra bývá většinou čtercový, může být i obdélníkový (kruhový, křížový) konstruován tak, aby kruhový otvor cívky co nejlépe vyplnil jádrem. Vinutí Vinutí pro malé síťové transformátory jsou zhotovována z lakovaných drátů různého průměru. Cívka se navíjí 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. Obr. 3: Průřezy jader Obr. 4: Vinutí cívky

Konstrukce transformátorů Jádrový transformátor vinutí je umístěno vně magnetického obvodu (jádra) Plášťový transformátor vinutí je umístěno uvnitř magnetického obvodu (jádra), na středním sloupku (1, 2 vinutí transformátoru) obr. 5 a 6 Toroidní transformátor nejčastěji pásek z orientované křemíkové oceli navinutý do předem specifikovaného kruhového nebo jiného tvaru. Pro vysokofrekvenční účely se používají také toroidní jádra vylisovaná z feritu Obr. 5: Plášťový transformátor Obr. 6: Jádrový transformátor Obr. 7: Toroidní transformátor

Konstrukce transformátorů Autotransformátor transformátory, u kterých se pro primární i sekundární vinutí používá stejná cívka. Z mechanického hlediska jde o cívku na železném jádře s odbočkami pro primární a pro sekundární napětí, společnou částí vinutí prochází přibližně jen I1 - I2. Nevýhodou je, že při takové konstrukci přicházíme o galvanické oddělení primárního a sekundárního napětí. Odbočka sekundárního vinutí může být realizována pomocí pohyblivého jezdce, přičemž nastavením tohoto jezdce je pak možné regulovat velikost sekundárního napětí. Nesmí se používat jako tzv. bezpečnostní transformátory. Obr. 8: autotransformátor

Konstrukce transformátorů Magnetické obvody a ztráty v transformátoru Součet ztrát nakrátko a naprázdno dosahuje u moderních energetických transformátorů velkých výkonů (MVA) pouze 0,5 %, účinnost je tedy 99,5 %. U malých transformátorů převládají ztráty nakrátko (ve vinutí) řádově 10 %. Ztráty nakrátko („v mědi“) 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. Ztráty naprázdno („v železe“) Jsou to ztráty především v magnetickém obvodu transformátoru. Mají tyto složky: ztráty magnetizační a ztráty vířivými proudy. Magnetizační ztráty jsou ztracená energie potřebná k přemagnetovávání feromagnetického materiálu při střídavém magnetování.

Konstrukce transformátorů Řízení napětí Odbočkami Používá se přepínání odboček na primárním nebo sekundárním vinutí. Odpojováním vstupních závitů se výstupní napětí zvyšuje, odpojováním výstupních závitů se napětí snižuje. Oba způsoby lze samozřejmě kombinovat. Plynulé Používají se natáčivé transformátory (indukční regulátor, booster) je vlastně brzděný indukční motor s otevřeným statorovým vinutím, které tvoří sekundární stranu. Primární stranu tvoří rotor, který se při regulaci natáčí.

Třífázové transformátory Třífázový transformátor může být složen ze tří jednofázových transformátorů, nebo magnetický obvod s vinutím tvoří jeden celek. V praxi se používá druhý způsob. V protože v trojfázové soustavě platí pro magnetické toky: Obr. 10: Skutečný magnetický obvod třífázového transformátoru Obr. 9: Princip vzniku třífázového transformátoru

Elektrické zapojení transformátorů Cívky primárního a sekundárního vinutí mohou být navinuty dvojím způsobem Souhlasně, indukované proudy (napětí) mají stejný směr Nesouhlasně, indukované proudy a napětí mají opačný směr Základní zapojení vinutí trojfázových transformátorů Do hvězdy (Y, y) Do trojúhelníku (D, d) Do lomené hvězdy (z) Velká písmena (Y) znamenají stranu vyššího napětí, malá písmenka (d, y, z,) stranu nižšího napětí. Zapojení do (z) lomené hvězdy se používá jen na sekundární straně nízkého napětí.

Elektrické zapojení transformátorů Obr. 11: Třífázový transformátor Obr. 12: třífázový transformátor, náhradní schéma

Kontrolní otázky: Transformátor pracuje na principu elektromagnetické indukce pracuje na principu Ohmova zákona je jednoduchý dělič napětí Autotransformátor má dvě cívky má pouze jednu cívku počet cívek záleží na velikosti autotransformátoru Zapojení Y, d je hvězda, trojúhelník trojúhelník, hvězda hvězda, lomená hvězda

Kontrolní otázky – řešení: Transformátor pracuje na principu elektromagnetické indukce pracuje na principu Ohmova zákona je jednoduchý dělič napětí Autotransformátor má dvě cívky má pouze jednu cívku počet cívek záleží na velikosti autotransformátoru Zapojení Y, d je hvězda, trojúhelník trojúhelník, hvězda hvězda, lomená hvězda

Seznam obrázků: Obr. 1: Jednofázový transformátor [online]. [vid.30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:transformator.png Obr. 2: princip transformátoru [online]. [vid.30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:transformator.png Obr. 3: průřezy jader [online]. [vid.30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske_FS/prednasky/sylab_Transformatory%2 0nazorne%205_1.pdf Obr. 4 : vinutí cívky [online]. [vid.30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske_FS/prednasky/sylab_Transformatory%2 0nazorne%205_1.pdf Obr. 5: VOŽENÍLEK, L., LSTIBUREK,F., Základy elektrotechniky II, Praha 1993, str. 217 Obr. 6: VOŽENÍLEK, L., LSTIBUREK,F., Základy elektrotechniky II, Praha 1993, str. 217 Obr. 7: toroidní transformátor [online]. [vid.30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3f/Toroidn%C3%AD- transform%C3%A1tor.jpg/700px-Toroidn%C3%AD-transform%C3%A1tor.jpg

Seznam obrázků: Obr. 8: autotransformátor [online]. [vid. 30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Autotransformator.png Obr. 9: ŘÍHA, J., Elektrické stroje a přístroje, SNTL, Praha, 1984, str.102 Obr. 10: ŘÍHA, J., Elektrické stroje a přístroje, SNTL, Praha, 1984, str.102 Obr. 11: třífázový transformátor [online]. [vid.30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske_FS/prednasky/sylab_Transformatory%2 0nazorne%205_1.pdf Obr. 12: třífázový transformátor [online]. [vid.30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske_FS/prednasky/sylab_Transformatory%2 0nazorne%205_1.pdf

Seznam použité literatury: [1] JAN, Z., KUBÁT, J., ŽDÁNKÝ, B., Elektrotechnika motorových vozidel II, Praha, AVID spol. sr.o., 2002, ISBN 978-80-87143-07-0 [2] ŠŤASTNÝ, J. a REMEK, B., Autoelektrika a autoelektronika, Praha, Nakladatelství T. Malina, 1994, ISBN 80-900759-6-7 [3] ŘÍHA, J., Elektrické stroje a přístroje, SNTL, Praha, 1984 [4] transformátor [online]. [cit.30.8.2013]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Transform%C3%A1tor

Děkuji za pozornost 