Vinutí transformátoru | Transformátory | Odkaz

<strong>Teorie o transformátorech</strong> <br /><strong>Základní pojmy</strong>

Statická elektromagnetická zařízení používaná k přeměně elektrické energie a jejímu přenosu z jednoho obvodu do druhého se nazývají transformátory. Pomocí transformátorů můžete převádět základní parametry elektrické energie ve střídavých obvodech: napětí, proud, frekvence, počet fází a tvar křivky. Přenos energie v transformátoru je možný nejen elektromagnetickými, ale i kombinovanými (elektromagneticko-elektrickými) prostředky. Tento typ transformátoru je známý jako autotransformátor.
Transformátor lze také použít k přenosu energie elektromagneticky bez její přeměny. Tento typ transformátoru, který se používá k izolaci jednoho elektrického obvodu od druhého, se nazývá oddělovací transformátor.
Tlumivky jsou statická elektromagnetická zařízení používaná v elektrických obvodech jako indukční reaktance. Existuje několik typů tlumivek. Mezi hlavní patří AC tlumivky, nazývané také indukční cívky, vyhlazovací tlumivky elektrických filtrů a saturační tlumivky.

Nízkovýkonové transformátory se obvykle dělí na:
1) podle napětí – nízkonapěťové a vysokonapěťové;
2) podle výkonové frekvence – na průmyslové frekvenční transformátory (50Hz) a vysokofrekvenční transformátory (400-50 000Hz);
3) podle počtu fází
4) podle transformačního poměru – nahoru a dolů;
5) podle počtu závitů – dvouvinutí a vícevinutí;
6) podle provedení magnetického obvodu – na tyčový, pancéřový a toroidní;

<strong>Princip činnosti transformátoru</strong>

Činnost transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce. Nejjednodušší transformátor se skládá z ocelového magnetického jádra 2 a dvou na něm umístěných vinutí 1 a 3. Vinutí jsou vyrobena z izolovaného drátu a nejsou elektricky spojena. Elektrická energie je dodávána do jednoho z vinutí ze zdroje střídavého proudu. Toto vinutí se nazývá primární vinutí. Spotřebiče jsou připojeny k jinému vinutí, nazývanému sekundární.

Při připojení transformátoru ke zdroji střídavého proudu (elektrické síti) protéká v závitech jeho primárního vinutí střídavý proud i 1 a vytváří střídavý magnetický tok F. Tento tok prochází magnetickým jádrem transformátoru a proniká do závitů primárního a sekundárního vinutí, indukuje střídavé E.D. e 1 a e 2. Pokud je k sekundárnímu vinutí připojen jakýkoli přijímač, pak pod vlivem E.M.F. Jeho obvodem prochází proud e 2 i 2.
E.D.S. [E, (V)] indukované v každém závitu primárního a sekundárního vinutí transformátoru, podle zákona elektromagnetické indukce, závisí na magnetickém toku [B, (T)] pronikajícím závitem [W], frekvence [ f, (Hz)] a plošný průřez magnetu a vodičů [S, (mm 2)].

poměr E.M.S E 2 vysokonapěťová vinutí k E.M.F. E 1 nízkonapěťového vinutí (nebo poměr počtu jejich závitů) se nazývá transformační poměr,

Pokud zanedbáme úbytky napětí na primárním a sekundárním vinutí transformátoru (u transformátorů středního a vysokého výkonu obvykle nepřesahují 2-5 % jmenovitých hodnot napětí U 1 a U 2 ), pak lze předpokládat že poměr napětí U 1 primárního vinutí k napětí U 2 sekundárního vinutí je přibližně roven poměru počtu jejich závitů, tzn.

Volbou požadovaného poměru mezi počtem závitů primárního a sekundárního vinutí tedy můžete zvýšit nebo snížit napětí na přijímači připojeném k sekundárnímu vinutí. Pokud je potřeba získat na sekundárním vinutí větší napětí, než je přiváděno do primárního, pak se používají stupňovité transformátory, u kterých je počet závitů v sekundárním vinutí větší než v primárním.

<strong>Parametry transformátoru</strong>

Jedním z nejdůležitějších parametrů transformátoru je jeho výkon. Existují elektromagnetické, užitečné, vypočítané a typické výkony transformátoru.
Elektromagnetický výkon transformátoru je výkon přenášený z primárního vinutí na sekundární elektromagnetickými prostředky; rovná se součinu efektivní hodnoty EMF tohoto vinutí a hodnoty zatěžovacího proudu, tzn.

Užitečný nebo dodaný výkon transformátoru je součin efektivního napětí na svorkách sekundárního vinutí a hodnoty jeho zatěžovacího proudu, tzn.

Vypočtený výkon transformátoru je součinem efektivní hodnoty proudu protékajícího vinutím a napětí na jeho svorkách.

<strong>Typy transformátorů</strong>

Transformátor střídavého proudu je statické elektromagnetické zařízení používané k přeměně elektrické energie a jejímu přenosu z jednoho obvodu do druhého. Slovo „výkon“ odráží provoz tohoto typu transformátoru s vysokým výkonem.
Autotransformátor je typ transformátoru, ve kterém jsou primární a sekundární vinutí přímo spojeny a díky tomu mají nejen elektromagnetickou a elektrickou vazbu. Autotransformátor má obvykle vysokou účinnost, protože se přeměňuje pouze část energie. Hlavním rozdílem od transformátoru je absence elektrické izolace (galvanické izolace) mezi primárním a sekundárním obvodem.

Transformátor napětí — se nazývá transformátor, ve kterém je za normálních podmínek použití sekundární proud prakticky úměrný primárnímu proudu a při správném zapnutí je vůči němu posunut o úhel blízký nule. Primární vinutí proudového transformátoru je zapojeno sériově do obvodu (v části proudového vodiče) a sekundární vinutí je uzavřeno na určitou zátěž (měřicí přístroje a relé), čímž je zajištěn průchod proudu úměrného proudu v primární vinutí.

Pulzní transformátor je statické elektromagnetické zařízení, které má dvě nebo více indukčně vázaných vinutí a je navrženo tak, aby pomocí elektromagnetické indukce převádělo jeden nebo více systémů střídavého proudu na jeden nebo více jiných systémů střídavého proudu ve formě impulsů.

Odpovídající transformátor – transformátor sloužící k přizpůsobení odporu různých částí elektronických obvodů s minimálním zkreslením tvaru signálu, zajišťující vytvoření galvanického oddělení mezi sekcemi obvodů.

<strong>Vinutí</strong>

Hlavním prvkem vinutí je otočit se – elektrický vodič nebo řada paralelně zapojených takových vodičů (lankové jádro), jednou obklopující část magnetického systému transformátoru, jehož elektrický proud spolu s proudy jiných takových vodičů a jiných částí transformátoru , vytváří magnetické pole transformátoru a ve kterém se vlivem tohoto magnetického pole indukuje elektromotorická síla .
Navíjení – soubor závitů, které tvoří elektrický obvod, ve kterém se sčítají emf indukované v závitech. U třífázového transformátoru se vinutím obvykle rozumí soubor vinutí stejného napětí tří fází spojených navzájem.

Vinutí se dělí podle:
Účel
hlavní – vinutí transformátoru, do kterého se přivádí energie přeměněného střídavého proudu nebo ze kterého se energie přeměněného střídavého proudu odebírá.
Regulační – pokud je proud vinutím nízký a regulační rozsah není příliš široký, mohou být ve vinutí umístěny odbočky pro regulaci poměru transformace napětí.
Pomocný – vinutí určená např. k napájení pomocné sítě výkonem výrazně menším, než je jmenovitý výkon transformátoru, ke kompenzaci magnetického pole třetí harmonické, předpětí magnetického systému stejnosměrným proudem atd.

Provedení
Obyčejné vinutí — závity vinutí jsou umístěny v axiálním směru po celé délce vinutí. Následné otáčky jsou navinuty těsně k sobě, přičemž nezůstává žádný meziprostor.
Šroubové vinutí – Šroubovité vinutí může být variantou vícevrstvého vinutí se vzdálenostmi mezi každým závitem nebo závitem vinutí.
Navíjení disku — vinutí disku se skládá z několika disků zapojených do série. V každém disku jsou závity navinuty radiálně ve spirálovém vzoru dovnitř a ven na sousední disky.
Navíjení fólie — fóliové vinutí jsou vyrobeny ze širokých měděných nebo hliníkových plechů o tloušťce od desetin milimetru do několika milimetrů.
Ortocyklické vinutí
Distribuované vinutí
Spirálové vinutí
Vinutí pyramidy
Univerzální typ vinutí

Všechna vinutí transformátoru lze rozdělit do následujících hlavních typů podle typu vinutí: válcová z kulatého a obdélníkového drátu, šroubová, spojitá cívka atd.
Tyto typy vinutí lze dále rozdělit podle řady sekundárních charakteristik: počet vrstev nebo běhů, přítomnost paralelních větví, přítomnost transpozic atd.
Jednoduché válcové vinutí je vinutí, jehož závitový průřez je jeden drát a závity jsou uspořádány bez intervalů na válcové ploše tak, že pro pohyb z jednoho závitu na druhý je třeba se pohybovat v axiálním směru vinutí.
Válcové paralelní vinutí je vinutí, jehož průřez závitu se skládá z několika rovnoběžných drátů a závity jsou umístěny (bez intervalů mezi závity a dráty) na válcové ploše tak, že pro přesun z libovolného vodiče jednoho závitu na jakýkoli vodič jiného závitu je třeba se pohybovat v axiálním směru vinutí.
Dvouvrstvé jednoduché válcové nebo dvouvrstvé válcové paralelní vinutí je vinutí složené ze dvou soustředně umístěných jednoduchých válcových paralelních vinutí.
Válcové vinutí lze navinout z několika pravoúhlých drátů. V tomto případě je vhodné vzít všechny paralelní vodiče stejného průřezu. Pokud musíte zkombinovat průřez cívky z různých vodičů, doporučuje se vzít nejvýše dva různé průřezy vodičů. Obvykle se používá ploché vinutí. Vinutí na „hranu“ je povoleno, v radiálním směru vinutí musí být velikosti obou vodičů voleny tak, aby byly navzájem stejné.
Ve výrobě, při navíjení na navíjecím stroji, je válcové navíjení nejjednodušší a nejlevnější z používaných typů vinutí. Lze použít válcové vinutí z obdélníkového drátu s průřezem závitu minimálně 5 mm2, který se rovná minimálnímu průřezu obdélníkového drátu podle průřezu, což odpovídá spodní hranici proudu vinutí 15–18 A při nejnižší proudové hustotě v měděném drátu Válcové dvouvrstvé vinutí z pravoúhlého vinutí na třífázový olejový drát je široce používáno pro jednofázové vinutí z třífázového olejového drátu. S ≤ 200 kVA při napětí vinutí nejvýše 6 kV.
Ve stejných mezích se tento typ vinutí někdy používá pro vinutí vysokého napětí, v tomto případě je však vhodnější vícevrstvé válcové vinutí z kruhového drátu.
Široce se používají válcová vícevrstvá vinutí vyrobená z obdélníkového drátu v jednom nebo několika paralelních drátech. Pro taková vinutí je napětí až 35 kV a výkon transformátoru až 80000 XNUMX kVA.
Používají se k výrobě vinutí transformátorů nízkého i vysokého napětí. Hlavní výhodou těchto vinutí je jejich jednoduchost, nízká cena a dostatečně vysoká elektrická a mechanická pevnost (obr. 1).

Rýže. 1. Válcová vinutí: а – jednovrstvé; б – dvouvrstvé;
в – vícevrstvé vyrobené z kulatého drátu; 1 – závity pravoúhlého drátu; 2 – dělené nivelační kroužky; 3 – papír-bakelitový válec; 4 – konec první vrstvy vinutí; 5 – vertikální lamely; 6 – vnitřní vinutí větví

Typicky je spirálové vinutí navinuto na papír-bakelitový válec na kolejnicích umístěných podél tvořících přímek válce.
Radiální kanály mezi závity jsou tvořeny meziotáčkovými distančními vložkami z elektricky izolační lepenky, navlečenými na lamely.
V paralelním spirálovém vinutí jsou paralelní dráty navinuty na válcové povrchy s různými průměry. V důsledku toho jsou aktivní a reaktivní odpory (v důsledku různé indukce rozptylového pole) paralelních vodičů nestejné. Pro vyrovnání celkového odporu vodičů a zamezení nerovnoměrného rozložení proudu ve spirálovém vinutí je nutné vodiče transponovat (přemístit) (obr. 3).

Rýže. 2. Šroubové vinutí: а – z jednoho drátu v zatáčce;
б – z několika paralelních vodičů v cívce

Rýže. 3. Transpozice drátů ve spirálových vinutích: а – skupina; б – Všeobecné

Rýže. 4. Transpoziční diagram ve spirálovém vinutí čtyř paralelních drátů: 1–4 – dráty

Šroubová vinutí se používají jako nízkonapěťová vinutí v transformátorech s napětím na nízkonapěťové straně od 230 V do 15,75 kV včetně, s výkonem transformátoru na tyč od 45 do 350 kVA.
Vzhledem k jednoduchosti a nízké výrobní ceně se nejčastěji používá vícevrstvé válcové vinutí transformátorů s výkonem do 200 kVA na tyč při napěťové třídě nejvýše 35 kV.
Rozmanitost vícevrstvé válcové vinutí je vinutí cívky složené z řady samostatně umístěných axiálních cívek, což jsou vícevrstvá válcová vinutí. Obvykle se vyrábí z jednoho kruhového drátu bez použití paralelních drátů. Používá se pro transformátor s výkonem na tyč nejvýše 350 kVA, při proudu 40–45 A a pouze pro realizaci vysokonapěťových vinutí.

Rýže. 5. Průběžné vinutí cívky

Zvláštní pozornost je věnována mezivrstvové izolaci, protože v důsledku velkého počtu závitů a postupného spojení vrstev vznikají mezi sousedními závity ležícími v různých vrstvách značná napětí. Například u transformátorů s výkonem do 200 kVA na tyč s napěťovou třídou 3 až 35 kV může celkové pracovní napětí dvou vrstev dosáhnout 5000–6000 V a zkušební napětí 10000–12000 V. Kabelový papír položený ve více vrstvách poskytuje dobré výsledky jako mezivrstvová izolace.
Použití menšího počtu vrstev silnější elektrokartóny se neospravedlňuje, protože lepenka je méně elastická než kabelový papír a při navíjení vysoce napnutého drátu dochází k lomům listu, což následně vede k roztřepení mezivrstvové izolace.
Jednoduché průběžné vinutí cívky je vinutí složené ze série axiálně umístěných a sériově spojených cívek, navinutých z pravoúhlého drátu v ploché spirále, s radiálními chladicími kanály mezi všemi nebo částmi cívek. Výška cívky se rovná výšce drátu.
Průběžné vinutí cívky se nazývá paralelní, pokud je průřez každého závitu tvořen dvěma nebo více paralelními dráty a počet závitů v cívce je větší než jeden (obr. 5).
Vinutí se nazývá kontinuální, pokud je jeho vinutí provedeno jedním (dvěma, třemi nebo více) vodiči bez přepájení konců sériově zapojených cívek. Průběžné vinutí cívky nemá žádné přerušení ani pájené dráty.

Díky své vysoké mechanické pevnosti, snadné distribuci závitů vinutí přes cívky, snadnému provádění seřizovacích větví, srovnatelné jednoduchosti vinutí, absenci přepájení mezi cívkami a snadné montáži na jádro je kontinuální vinutí cívky široce používáno jako vysokonapěťové vinutí pro transformátory s výkonem na tyč od 50 do 20000 10 kVA a vyšším od A15–17, se zátěžovými proudy. Tento typ vinutí se používá také jako nízkonapěťová vinutí při proudech od 20–300 do 6 A (obr. 7, XNUMX).

Rýže. 6. Část průběžné vinutí cívky se dvěma paralelními dráty v závitu

Rýže. 7. Přechody v kontinuálních cívkách

Při napětí 110 kV a více se používá pouze spojité vinutí cívky. Je-li závit vinutí tvořen několika paralelními dráty, je nutné paralelní dráty transponovat stejným způsobem jako u spirálových paralelních vinutí.