Konstrukce výkonového transformátoru
Transformátor je elektrický stroj, který přeměňuje střídavý proud jednoho napětí na střídavý proud jiného napětí.
Hlavní konstrukční prvky výkonových transformátorů jsou: pouzdro, jádro, vinutí, chladicí zařízení, průchodky a ochranná zařízení (expandér, výfukové potrubí a plynové relé).
Vinutí transformátoru jsou uspořádána tak, že magnetický tok vytvářený primárním vinutím proniká velkou částí do sekundárních vinutí. Tento požadavek je zajištěn konstrukcí ocelového jádra, které je uzavřeným magnetickým obvodem. V závislosti na vzájemné poloze vinutí a magnetického systému existují dva hlavní typy transformátorů: tyčové a pancéřované.
U transformátoru jádra jsou vinutí umístěna na tyčích jádra, které jsou spojeny třmeny, které uzavírají magnetický obvod. Tyčový typ se používá pro napájení a řadu speciálních transformátorů. Pancéřovaný transformátor používá rozvětvený magnetický obvod, který obklopuje vinutí, jako by je „pancéřoval“. Provedení jádra s rozvětveným magnetickým obvodem, obdobné jako u pancéřovaného provedení, se používá zejména u malých jednofázových transformátorů.
Třífázový jádrový transformátor:
Magnetický obvod transformátoru, nazývaný jádro, je sestaven z plechů legované oceli. Aby se listy neslepily, nejprve je natřete tenkou vrstvou laku nebo přelepíte papírem.
Jádro se skládá z tyčí, které nesou vinutí a třmenů, které uzavírají magnetický obvod. Průřez jádra by měl mít tvar, který pokud možno odpovídá tvaru cívek.
U pravoúhlých cívek je průřez jádra obdélníkový. U kulatých má jádro vícestupňový průřez. Pokud má jádro velký průřez, jsou vytvořeny podélné vzduchové kanály, které odvádějí teplo a rozdělují jádro na samostatné balíčky.
Plechy se k sobě stahují pomocí čepů nebo nýtů. Jednotlivé plechy by se neměly vzájemně spojovat, protože v rovině kontaktu mohou vznikat vířivé proudy. Aby nedocházelo ke zkratu plechů přes čepy a nýty, jsou na nich umístěny izolační trubky. Matice a hlavy nýtů jsou izolovány od lisovacích desek jádra podložkami z elektrokartonu.
Transformátory používají dva typy vinutí: kotoučové a válcové.
V provedení diskového vinutí jsou primární a sekundární vinutí rozděleny do řady plochých cívek ve tvaru disku, které jsou střídavě položeny na jádru transformátoru.
U válcového vinutí jsou primární a sekundární vinutí umístěny soustředně vůči sobě navzájem. Nízkonapěťové vinutí je obvykle umístěno blíže k jádru, protože je snazší jej izolovat od oceli.
Při výrobě vinutí je nutné rozlišovat mezi izolací jednotlivých vodičů, izolací mezi vrstvami a cívkami, izolací mezi primárním a sekundárním (sekundárním) vinutím a izolací vinutí vůči jádru.
Vinutí transformátoru je vyrobeno z měděného drátu pokrytého izolací. K izolaci drátů vinutí se používá papír, bavlna, někdy hedvábná příze, laková (smaltovaná) fólie nebo několik vrstev izolace, například vrstva laku a vrstva hedvábné příze, vrstva papíru a vrstva bavlněné příze atd.
Papírové rozpěrky se používají jako izolace mezi vrstvami. Cívky jsou izolovány podložkami nebo těsněními vyrobenými z elektrokartonu, vinutí pásky, papíru nebo látky napuštěné olejem.
Konce vinutí transformátoru jsou vyvedeny pomocí průchodek, které je izolují od uzemněného pouzdra (nádrže).
Existují dva hlavní způsoby připojení vinutí třífázového transformátoru: zapojení do trojúhelníku a zapojení do hvězdy. Když jsou vinutí zapojena do trojúhelníku, fázové napětí se rovná síťovému napětí a fázový proud je 1,73krát menší než síťový proud. Když jsou vinutí zapojena do hvězdy, fázové napětí je 1,73krát menší než síťové napětí a fázový proud se rovná proudu ve vedení.
Způsob připojení vinutí v třífázovém transformátoru má velký význam, protože na něm závisí úhel fázového posunu sekundárního napětí vzhledem k primárnímu napětí. Fázový posun mezi napětím primárního a sekundárního vinutí závisí také na směru vinutí cívek. Další informace naleznete zde: Schémata a skupiny zapojení vinutí výkonového transformátoru
V případech, kdy jsou transformátory určeny ke společnému paralelnímu provozu, je nutné, aby okamžité potenciály fází těchto transformátorů byly stejné. Transformátory, které mají stejný fázový posun mezi síťovými napětími vysokonapěťového a nízkonapěťového vinutí, jsou přiřazeny do jedné skupiny spojení vinutí, které je přiřazeno číslo podle označení hodin.
K izolaci vinutí od jádra a k izolaci vysokonapěťového vinutí od vinutí nízkého napětí se používají tuhé válce lisované z pečeného papíru nebo válce z elektrokartonu, tzv. měkké válce.
Při konstrukci transformátorů je široce používán speciální minerální (ropný) olej, který se nazývá transformátorový olej. Nádrže jsou naplněny transformátorovým olejem a je v něm ponořeno jádro s vinutím. Tato konstrukce je přijata pro výkonné výkonové transformátory, pro transformátory výkonných usměrňovacích zařízení, pro výkonné pulzní transformátory.
Transformátorový olej, ze kterého byla odstraněna vlhkost a nečistoty, tedy vysušen a vyčištěn, je dobrou izolací mezi vinutím a kovovým pouzdrem. Kromě toho transformátorový olej, který má vyšší tepelnou vodivost než vzduch, dobře vede teplo z aktivních částí transformátoru na vnější povrchy nádrže.
S rostoucím výkonem transformátoru rostou ztráty rychleji než jeho geometrické rozměry, což vede k nutnosti zvětšit jeho chladicí plochu. Více o tom naleznete zde: Power Transformer Cooling Systems
V praxi našla uplatnění zařízení převádějící střídavá napětí, u kterých jsou primární a sekundární vinutí elektricky spojeny. Tato zařízení se nazývají autotransformátory.
Autotransformátor se od běžného transformátoru liší tím, že jeho primární a sekundární vinutí jsou spolu spojeny nejen indukčně (jako u běžného transformátoru), ale také elektricky.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře