Konstrukce transformátoru

Tento magnetický obvod, známý spíše jako „jádro transformátoru“, je navržen tak, aby poskytoval cestu pro proudění magnetického pole, které je nezbytné pro indukci napětí mezi oběma vinutími.

Tento typ konstrukce transformátoru, kde jsou obě vinutí navinuta na samostatných koncích, však není příliš účinný, protože primární a sekundární vinutí jsou od sebe dobře oddělena. To má za následek nízkou magnetickou vazbu mezi oběma vinutími a také velké množství úniku magnetického toku ze samotného transformátoru. Kromě této konstrukce ve tvaru „O“ jsou však k dispozici i různé typy „konstrukce transformátoru“ a provedení, které se používají k překonání těchto neúčinností a vytvářejí menší kompaktnější transformátor.

Účinnost jednoduché konstrukce transformátoru lze zvýšit tím, že se obě vinutí dostanou do těsného vzájemného kontaktu, čímž se zlepší magnetická vazba. Zvětšení a soustředění magnetického obvodu kolem cívek může zlepšit magnetickou vazbu mezi oběma vinutími, ale má také za následek zvýšení magnetických ztrát v jádře transformátoru.

Kromě zajištění nízké reluktanční cesty pro magnetické pole je jádro navrženo tak, aby se zabránilo cirkulaci elektrických proudů v samotném železném jádře. Cirkulující proudy, nazývané „vířivé proudy“, způsobují zahřívání a energetické ztráty uvnitř jádra, což snižuje účinnost transformátorů.

Tyto ztráty jsou způsobeny především napětím indukovaným v železném obvodu, který je neustále vystaven střídavému magnetickému poli nastavenému vnějším sinusovým napájecím napětím. Jedním ze způsobů, jak tyto nežádoucí ztráty výkonu snížit, je konstrukce jádra transformátoru z tenkých ocelových vrstev.

Ve všech typech konstrukce transformátoru je centrální železné jádro konstruováno z vysoce propustného materiálu z tenkých vrstev křemíkové oceli. Tyto tenké laminace jsou sestaveny tak, aby poskytovaly požadovanou magnetickou dráhu s minimálními magnetickými ztrátami. Odpor samotného ocelového plechu je vysoký, čímž se snižují ztráty vířivými proudy tím, že jsou laminace velmi tenké.

Tyto ocelové laminace transformátoru mají tloušťku od 0,25 mm do 0,5 mm, a protože ocel je vodič, jsou laminace a všechny upevňovací čepy, nýty nebo šrouby navzájem elektricky izolovány velmi tenkou vrstvou izolačního laku nebo použitím oxidové vrstvy na povrchu.

Konstrukce jádra transformátoru

Všeobecně název spojený s konstrukcí transformátoru závisí na tom, jak jsou primární a sekundární vinutí navinuta kolem centrálního laminovaného ocelového jádra. Dvě nejběžnější a nejzákladnější konstrukce transformátoru jsou transformátor s uzavřeným jádrem a transformátor s plášťovým jádrem.

U transformátoru typu „uzavřené jádro“ (tvar jádra) jsou primární a sekundární vinutí navinuta vně a obklopují prstenec jádra. U transformátoru typu „shell“ (plášťový tvar) prochází primární a sekundární vinutí uvnitř ocelového magnetického obvodu (jádra), který kolem vinutí vytváří plášť, jak je znázorněno níže.

Konstrukce jádra transformátoru

U obou typů konstrukce jádra transformátoru se magnetický tok spojující primární a sekundární vinutí pohybuje zcela uvnitř jádra bez ztráty magnetického toku vzduchem. V konstrukci transformátoru s jádrem je jedna polovina každého vinutí ovinuta kolem každé nohy (nebo končetiny) magnetického obvodu transformátoru, jak je znázorněno výše.

Cívky nejsou uspořádány tak, že primární vinutí je na jedné noze a sekundární na druhé, ale místo toho je polovina primárního vinutí a polovina sekundárního vinutí umístěna soustředně nad sebou na každé noze, aby se zvýšila magnetická vazba umožňující, aby prakticky všechny magnetické siločáry procházely primárním i sekundárním vinutím současně. Při tomto typu konstrukce transformátoru však malé procento magnetických siločar proudí mimo jádro, což se nazývá „svodový tok“.

Jádra transformátorů skořepinového typu tento svodový tok překonávají, protože primární i sekundární vinutí jsou navinuta na stejnou střední nohu nebo končetinu, která má dvojnásobnou plochu průřezu než obě krajní končetiny. Výhodou je, že magnetický tok má dvě uzavřené magnetické cesty, kterými může obtékat vnější cívky na levé i pravé straně, než se vrátí zpět do středových cívek.

To znamená, že magnetický tok obíhající kolem vnějších končetin tohoto typu konstrukce transformátoru je roven Φ/2. Protože magnetický tok má uzavřenou dráhu kolem cívek, má to tu výhodu, že se snižují ztráty v jádře a zvyšuje se celková účinnost.

Laminování transformátoru

Možná vás ale zajímá, jak jsou primární a sekundární vinutí navinuta kolem těchto laminovaných železných nebo ocelových jader u těchto typů konstrukcí transformátorů. Cívky jsou nejprve navinuty na formu, která má válcový, obdélníkový nebo oválný typ průřezu, aby vyhovovala konstrukci laminovaného jádra. Jak u konstrukcí transformátorů s pláštěm, tak u konstrukcí s jádrem se pro upevnění vinutí cívek jednotlivé laminace vylisují nebo vyrazí z větších ocelových plechů a zformují se do pásů tenké oceli připomínajících písmena „E“, „L“, „U“ a „I“, jak je znázorněno níže.

Typy jader transformátorů

Tyto laminační výlisky po spojení dohromady tvoří požadovaný tvar jádra. Například dvě výlisky „E“ plus dva koncové uzavírací výlisky „I“, čímž vznikne jádro E-I tvořící jeden prvek standardního plášťového jádra transformátoru. Tyto jednotlivé laminace se při konstrukci transformátorů těsně spojují, aby se snížil odpor vzduchové mezery ve spojích a vznikla vysoce nasycená hustota magnetického toku.

Laminace jádra transformátoru se obvykle skládají střídavě k sobě, aby vznikl překrývající se spoj, přičemž se přidávají další dvojice laminací, aby se vytvořila správná tloušťka jádra. Toto střídavé skládání laminací poskytuje transformátoru také výhodu snížení úniku toku a ztrát v železe. Konstrukce transformátoru s vrstveným jádrem EI se nejčastěji používá u oddělovacích transformátorů, zvyšovacích a snižovacích transformátorů a také u autotransformátorů.

Uspořádání vinutí transformátoru

Vinutí transformátoru tvoří další důležitou část konstrukce transformátoru, protože jsou to hlavní vodiče pro přenos proudu navinuté kolem vrstvených částí jádra. V jednofázovém transformátoru se dvěma vinutími by byla přítomna dvě vinutí podle obrázku. Jedno, které je připojeno ke zdroji napětí a vytváří magnetický tok, se nazývá primární vinutí, a druhé vinutí se nazývá sekundární, ve kterém se v důsledku vzájemné indukce indukuje napětí.

Je-li výstupní napětí sekundárního vinutí menší než vstupní napětí primárního vinutí, označuje se transformátor jako „snižovací transformátor“. Je-li sekundární výstupní napětí větší než primární vstupní napětí, nazývá se „zvyšovací transformátor“.

Typ vodiče, který se používá jako hlavní vodič pro vedení proudu ve vinutí transformátoru, je buď měděný, nebo hliníkový. Hliníkový vodič je sice lehčí a obecně levnější než měděný, ale pro vedení stejného množství proudu jako u mědi je třeba použít větší průřez vodiče, takže se používá hlavně u větších výkonových transformátorů.

U výkonových a napěťových transformátorů malých kVA používaných v elektrických a elektronických obvodech nízkého napětí se obvykle používají měděné vodiče, protože mají vyšší mechanickou pevnost a menší velikost vodiče než ekvivalentní hliníkové typy. Nevýhodou je, že v kompletu s jádrem jsou tyto transformátory mnohem těžší.

Transformátorová vinutí a cívky lze obecně rozdělit na soustředné cívky a sendvičové cívky. V konstrukci transformátoru s jádrem jsou vinutí obvykle uspořádána soustředně kolem konců jádra, jak je znázorněno výše, přičemž primární vinutí s vyšším napětím je navinuto nad sekundárním vinutím s nižším napětím.

Posuvné nebo „palačinkové“ cívky se skládají z plochých vodičů navinutých ve tvaru spirály a jsou tak nazývány kvůli uspořádání vodičů do kotoučů. Střídavé kotouče se spirálovitě stáčejí z vnější strany směrem ke středu v prokládaném uspořádání, přičemž jednotlivé cívky jsou naskládány na sebe a odděleny izolačními materiály, jako je papír nebo plastová fólie. Sendvičové cívky a vinutí jsou běžnější s konstrukcí jádra typu shell.

Šroubové vinutí známé také jako šroubové vinutí je další velmi běžné válcové uspořádání cívek používané v nízkonapěťových vysokoproudých transformátorech. Vinutí se skládá z vodičů velkého průřezu obdélníkového tvaru navinutých na jeho boku, přičemž izolovaná vlákna jsou navinuta paralelně souvisle po celé délce válce, přičemž mezi sousední závity nebo disky jsou vloženy vhodné distanční vložky, aby se minimalizovaly cirkulační proudy mezi paralelními vlákny. Cívka postupuje směrem ven jako šroubovice připomínající šroubovici vývrtky.

Izolaci používanou k zabránění zkratování vodičů v transformátoru tvoří u vzduchem chlazených transformátorů obvykle tenká vrstva laku nebo smaltu. Tento tenký lak nebo emailová barva se nanese na vodič před jeho navinutím na jádro.

Ve větších výkonových a distribučních transformátorech jsou vodiče navzájem izolovány pomocí papíru nebo tkaniny napuštěné olejem. Celé jádro a vinutí je ponořeno a utěsněno v ochranné nádrži obsahující transformátorový olej. Transformátorový olej funguje jako izolant a také jako chladicí kapalina.

Transformátorová bodová orientace

Nemůžeme jednoduše vzít laminované jádro a omotat kolem něj jednu z konfigurací cívek. Mohli bychom, ale můžeme zjistit, že sekundární napětí a proud mohou být mimo fázi s primárním napětím a proudem. Obě vinutí cívek mají přece výraznou orientaci jednoho vůči druhému. Každá z cívek by mohla být navinuta kolem jádra ve směru nebo proti směru hodinových ručiček, takže pro sledování jejich relativní orientace se používají „tečky“ k identifikaci daného konce každého vinutí.

Tento způsob identifikace orientace nebo směru vinutí transformátoru se nazývá „tečková konvence“. Potom se vinutí transformátoru vinou tak, aby mezi napětími vinutí existovaly správné fázové vztahy, přičemž polarita transformátoru je definována jako relativní polarita sekundárního napětí vzhledem k primárnímu napětí, jak je znázorněno níže.

Konstrukce transformátoru pomocí bodové orientace

První transformátor ukazuje své dvě „tečky“ vedle sebe na obou vinutích. Proud vystupující ze sekundární tečky je „ve fázi“ s proudem vstupujícím do tečky na primární straně. Polarity napětí na tečkovaných koncích jsou tedy také ve fázi, takže když je na tečkovaném konci primární cívky kladné napětí, je na tečkovaném konci kladné i napětí na sekundární cívce.

Druhý transformátor ukazuje dvě tečky na opačných koncích vinutí, což znamená, že vinutí primární a sekundární cívky transformátoru jsou navinuty v opačných směrech. Výsledkem toho je, že proud vystupující ze sekundární tečky je 180o „mimo fázi“ s proudem vstupujícím do primární tečky. Polarity napětí na tečkovaných koncích jsou tedy také mimo fázi, takže když je napětí na tečkovaném konci primární cívky kladné, bude napětí na odpovídající sekundární cívce záporné.

Konstrukce transformátoru tedy může být taková, že sekundární napětí může být buď „ve fázi“, nebo „mimo fázi“ vzhledem k primárnímu napětí. U transformátorů, které mají několik různých sekundárních vinutí, z nichž každé je od sebe elektricky izolováno, je důležité znát bodovou polaritu sekundárních vinutí, aby je bylo možné zapojit do sériově pomocných (sekundární napětí se sčítá) nebo sériově protichůdných (sekundární napětí je rozdílové) konfigurací.

Možnost nastavit poměr závitů transformátoru je často žádoucí pro kompenzaci účinků změn primárního napájecího napětí, regulace transformátoru nebo měnících se podmínek zatížení. Regulace napětí transformátoru se obvykle provádí změnou poměru závitů, a tedy i jeho napěťového poměru, přičemž část primárního vinutí na straně vysokého napětí je odbočena, což umožňuje snadné nastavení. Odbočení se upřednostňuje na vysokonapěťové straně, protože volty na závit jsou nižší než na nízkonapěťové sekundární straně.

Změny primárních odboček transformátoru

V tomto jednoduchém příkladu jsou změny primárních odboček vypočteny pro změnu napájecího napětí o ±5 %, ale lze zvolit libovolnou hodnotu. Některé transformátory mohou mít dvě nebo více primárních nebo dvě nebo více sekundárních vinutí pro použití v různých aplikacích poskytujících různá napětí z jednoho jádra.

Ztráty v jádře transformátoru

Schopnost železa nebo oceli přenášet magnetický tok je mnohem větší než ve vzduchu a tato schopnost umožnit tok magnetického toku se nazývá permeabilita. Většina jader transformátorů je vyrobena z nízkouhlíkových ocelí, které mohou mít permeabilitu v řádu 1500 ve srovnání s pouhým 1,0 u vzduchu.

To znamená, že ocelové vrstvené jádro může přenášet magnetický tok 1500krát lépe než vzduch. Když však v ocelovém jádru transformátoru proudí magnetický tok, dochází v oceli ke dvěma typům ztrát. Jeden se označuje jako „ztráty vířivými proudy“ a druhý jako „hysterezní ztráty“.

Hysterezní ztráty

Hysterezní ztráty transformátoru vznikají v důsledku tření molekul o tok magnetických siločar potřebných k magnetizaci jádra, které vlivem sinusového napájecího napětí neustále mění svou hodnotu a směr nejprve v jednom a pak v druhém směru.

Toto molekulární tření způsobuje vznik tepla, které představuje energetickou ztrátu transformátoru. Nadměrné tepelné ztráty mohou nadčasově zkrátit životnost izolačních materiálů použitých při výrobě vinutí a konstrukcí. Proto je chlazení transformátoru důležité.

Transformátory jsou také konstruovány pro provoz při určité napájecí frekvenci. Snížení frekvence napájení bude mít za následek zvýšení hystereze a vyšší teplotu v železném jádře. Snížení napájecí frekvence z 60 Hertzů na 50 Hertzů tedy zvýší množství přítomné hystereze, sníží VA kapacitu transformátoru.

Ztráty vířivými proudy

Ztráty vířivými proudy transformátoru jsou na druhé straně způsobeny tokem cirkulačních proudů indukovaných do oceli způsobených tokem magnetického toku kolem jádra. Tyto cirkulační proudy vznikají proto, že vůči magnetickému toku se jádro chová jako jediná smyčka drátu. Protože je železné jádro dobrým vodičem, budou vířivé proudy indukované pevným železným jádrem velké.

Vířivé proudy nijak nepřispívají k užitečnosti transformátoru, ale naopak se staví proti toku indukovaného proudu tím, že působí jako záporná síla vytvářející odporové zahřívání a ztráty výkonu v jádře.

Laminování železného jádra

Ztráty vířivými proudy v jádře transformátoru nelze zcela odstranit, ale lze je výrazně snížit a řídit zmenšením tloušťky ocelového jádra. Namísto jednoho velkého pevného železného jádra jako materiálu magnetického jádra transformátoru nebo cívky je magnetická dráha rozdělena do mnoha tenkých lisovaných ocelových tvarů zvaných „laminace“.

Laminace používané v konstrukci transformátoru jsou velmi tenké proužky izolovaného kovu spojené dohromady, aby vytvořily pevné, ale vrstvené jádro, jak jsme viděli výše. Tyto laminace jsou od sebe izolovány vrstvou laku nebo papíru, aby se zvýšil efektivní odpor jádra, a tím se zvýšil celkový odpor, který omezuje tok vířivých proudů.

Výsledkem celé této izolace je, že nežádoucí ztráty výkonu indukovaného vířivými proudy v jádře jsou značně omezeny, a právě z tohoto důvodu jsou všechny magnetické železné obvody každého transformátoru a jiných elektromagnetických strojů laminované. Použití laminací v konstrukci transformátoru snižuje ztráty vířivými proudy.

Ztráty energie, která se projevuje jako teplo v důsledku hystereze i vířivých proudů v magnetické dráze, se obecně nazývají „ztráty v jádře transformátoru“. Protože tyto ztráty vznikají ve všech magnetických materiálech v důsledku střídavého magnetického pole. Ztráty v jádře transformátoru jsou v transformátoru přítomny vždy, když je primární vinutí pod napětím, i když k sekundárnímu vinutí není připojena žádná zátěž. Také tyto hysterezní ztráty a ztráty vířivými proudy se někdy označují jako „ztráty v železe transformátoru“, protože magnetický tok způsobující tyto ztráty je konstantní při všech zátěžích.

Ztráty v mědi

S transformátory je však spojen i další typ energetických ztrát, který se nazývá „ztráty v mědi“. Měděné ztráty transformátoru jsou způsobeny především elektrickým odporem primárního a sekundárního vinutí. Většina cívek transformátoru je vyrobena z měděného drátu, který má odpor v ohmech, ( Ω ). Tento odpor odporuje magnetizačním proudům, které jimi protékají.

Při připojení zátěže k sekundárnímu vinutí transformátorů tečou v primárním i sekundárním vinutí velké elektrické proudy, ztráty elektrické energie a výkonu ( neboli I2 R ) vznikají jako teplo. Obecně se ztráty v mědi mění v závislosti na zatěžovacím proudu, přičemž při nulovém zatížení jsou téměř nulové a při plném zatížení, kdy je průtok proudu maximální, dosahují maxima.

Jmenovitou hodnotu VA transformátorů lze zvýšit lepším návrhem a konstrukcí transformátoru, aby se tyto ztráty v jádře a mědi snížily. Transformátory s vysokým jmenovitým napětím a proudem vyžadují vodiče velkého průřezu, které pomáhají minimalizovat jejich ztráty v mědi. Zvýšení rychlosti odvodu tepla (lepší chlazení) nuceným vzduchem nebo olejem nebo zlepšení izolace transformátorů tak, aby odolávaly vyšším teplotám, může rovněž zvýšit jmenovitou hodnotu VA transformátorů.

Pak můžeme definovat ideální transformátor jako takový, který má:

• Žádné hysterezní smyčky ani hysterezní ztráty → 0
• Konečný odpor materiálu jádra dávající nulové ztráty vířivými proudy → 0
• Nulový odpor vinutí dávající nulové ztráty I2*R v mědi → 0

V příštím tutoriálu o transformátorech se budeme zabývat zatížením transformátoru sekundárním vinutím vzhledem k elektrické zátěži a uvidíme, jaký vliv má „NO-.zátěž“ a „zapnutou zátěž“ připojeného transformátoru na proud primárním vinutím.