1

3. TRANSFORMATOR

3. 1. Splošno o transformatorju Transformator je električni stroj, ki spreminja električno energijo v električno. Deluje na principu statične elektromagnetne indukcije, torej indukcije na principu spremembe magnetnega polja. Torej je transformator naprava, ki lahko transformira samo izmenične električne veličine. Električno moč, ki jo na vhodu v transformator vložimo, jo dobimo tudi na izstopu transformatorja, če njegove izgube zanemarimo. Moč je na obeh straneh enaka, razlikujeta se lahko samo napetost in tok. Višja vhodna napetost pomeni manjši vhodni tok, na izhodu pa je potem manjša napetost in večji tok. Možno je seveda tudi obratno.

Slika 51: Osnovni princip delovanja transformatorja

V odvisnosti od uporabe bi lahko transformatorje razdelili v tri skupine: − energetski transformatorji, ki služijo za prenos električne energije, − male transformatorje, ki služijo kot napajalniki manjših naprav, najpogosteje elektronskih, − posebne vrste transformatorjev (regulacijski, varilni, merilni...). 3. 2. Princip statične elektromagnetne indukcije Kot je bilo že uvodoma omenjeno, dela transformator na principu statične elektromagnetne indukcije. Ta pojav smo že spoznali pri predmetu elektrotehnika v 1. letniku, sedaj bomo samo ponovili osnovni princip pojava statične elektromagnetne indukcije. Napravimo naslednji poskus:

+ -

S

U

N1 N2

Slika 52: Elementi poskusa statične elektromagnetne indukcije Imamo železno jedro, kamor bomo navili dve tuljavi. Na tuljavo N1, ki jo imenujemo primarna tuljava, je preko stikala priključena baterija. Na tuljavo N2, ki jo imenujemo sekundarna tuljava je priključen galvanometer, ki se lahko iz ničelne lege odkloni v obe smeri.

2

+ -

S

U

N1 N2

Ui1 Ui2

I

1Φ12Φ

Slika 53: Sklenitev tokokroga Če bi stikalo stalno vklapljali in izklapljali, bi se s tem spreminjala velikost toka, prav tako pa bi se tudi spreminjal fluks, ki ga povzroča el. tok. Na sekundarni strani bi se s tem ustvarjala napetost Ui2, ki jo imenujemo inducirana napetost. Iz tega lahko povzamemo, da se bo v sekundarni tuljavi inducirala napetost le, če stikalo vklapljamo in izklapljamo. V primeru statične indukcije moramo spreminjati fluks, da se bo v tuljavi inducirala napetost. Če bi namesto baterije priključili izmenični vir napetosti, potem stikala za stalno vklapljanje in izklapljanje ne bi potrebovali, saj bi izmenični tok povzročil tudi izmenični fluks, kar je pogoj za nastanek inducirane napetosti. Statično indukcijo imamo, če se magnetni pretok spreminja. Čim hitreje se spreminja, večja je s tem inducirana napetost:

tNUi Δ

ΔΦ⋅=

kjer pomeni: Ui - inducirana napetost statične indukcije (V) N - število ovojev tuljave ΔΦ - sprememba fluksa (Vs = Wb) Δt - sprememba časa (s) Napisano enačbo imenujemo Faradayev ali indukcijski zakon. Ta zakon je kasneje popravil Lenz, ki je v zgornjo enačbo dodal samo minus. Tako je nastalo Lenzovo pravilo:

tNUi Δ

ΔΦ⋅−=

V enačbi je predznak minus zato, ker se inducirana napetost upira časovni spremembi magnetnega pretoka, ki je vzrok za njen nastanek. Povedano drugače: inducirana napetost nasprotuje svojemu nastanku, torej je obrnjena nasproti primarni napetosti.

Ko stikalo S vključimo, se kazalec galvanometra odkloni in se takoj nato povrne v prvotni položaj. Torej se je ob vklopu stikala na tuljavi N1 pojavil tok, ki je okoli nje ustvaril magnetni pretok ali fluks Φ1. Imenujemo ga tudi stresani fluks. Velik del fluksa Φ12 prehaja tudi v drugo (sekundarno) tuljavo. Fluks Φ12, ki prehaja skozi obe tuljavi, se imenuje glavni fluks. Ob opazovanju vklopa in izklopa tokokroga opazimo, da se kazalec galvanometra odkloni tako ob vklopu, kot tudi izklopu. Vmes je kazalec galvanometra umirjen.

3

3. 3. Zgradba transformatorja Transformatorji se gradijo v enofazni in trifazni izvedbi. Sestava je v grobem podobna, razlike pa bomo ugotovili potem, ko bomo spoznali bistvene sestavne dele transformatorjev. Po najbolj grobi delitvi so sestavni deli razdeljeni v dve skupini: − aktivni deli in − pasivni deli. Aktivni deli so tisti, ki sodelujejo v procesu transformacije električne napetosti toka. Sem spadajo železno jedro in navitja. Pasivni deli direktno ne sodelujejo v procesu transformacije, ampak so nujni spremljevalci varnega in pravilno izvedenega transformatorja. Sem spadajo: − kotel s pokrovom, − priključne sponke s skoznjiki, − napisna plošča, − konzervator, − silikagel, − hladilna rebra in ostale naprave za hlajenje (npr. ventilatorji), − zaščita (Buchholzov rele, diferenčna zaščita), − cevi, − črpalke … V pomoč pri razumevanju spoznavanja osnovne funkcije posameznih sestavnih delov bo prav gotovo služila tudi slika 48, ki smo jo spoznali pri uporabi Buchholzzovega releja. Ta slika nazorno predstavlja tudi pasivne dele transformatorja. Po sestavi so izvedbe transformatorjev lahko zelo različne: odvisno od moči, vrste, pogojev uporabe, števila faz … 3. 3. 1. Železno jedro Železno jedro transformatorja je sestavljeno iz stebrov in iz jarmov. Stebri nosijo navitja, jarmi pa spajajo stebre med seboj.

1 1 1 11

2

2

2

2

a) b)

Slika 54: Oblika jedra enofaznega (a) in trifaznega (b) transformatorja

1 - stebri 2 - jarmi

4

Železna jedra so iz zlitin železa, vendar to železo ni masivno, ampak lamelirano. Lameliranje pomeni, da sestavljamo skupaj majhne pločevine, ki so debele 0,35 mm (večji transformatorji), za manjše transformatorje pa 0,5 mm. Lamele so med sabo izolirane z svilenim papirjem ali lakom, vodnim steklom, železov oksid …

a) b)

Takšen način sestavljanja jeder transformator podraži, je pa to nujen ukrep za zmanjševanje izgub v železu zaradi vrtinčnih tokov. Zakaj nastajajo vrtinčne izgube? Ko se izmenični fluks sklene preko železnega jedra, inducira v navitjih napetost. Prav tako inducira tudi napetost v jedru. Inducirana napetost po vsaki zaključeni poti požene tudi tok, ki povzroča segrevanje – izgube. To se dogaja tudi v železnem jedru in zato je najbolje, če je pot toku skozi jedro prekinjena. To prekinitev omogočajo izolirane lamele.

a) b)

Pomemben je tudi način zlaganja jeder. Poglejmo si primer zlaganja lamel trifaznega jedra:

Sliki 55: Oblika stebra a - masiven - neuporaben

b - lameliran - uporaben

Sliki 56: Oblika silnic a - pri masivnem jedru

b - pri lameliranem jedru

5

Sliki 57: Zlaganje lamel jedra trifaznega transformatorja

Praktični izgled zlaganja lamel jedra v tovarni prikazujeta naslednji sliki:

Sliki 58: Zlaganje lamel jedra trifaznega transformatorja Material transformatorske pločevine so mehkomagnetni materiali. To so tisti materiali, ki po magnetenju ne ostanejo trajno namagneteni in imajo ozko histerezno zanko. To jim zagotavlja tudi minimalne histerezne izgube. Tem lastnostim ustrezajo litine železa s silicijem. Ohmsko upornost lamelirane pločevine pa povečamo tako, da pločevini dodamo do 4 % silicija. Za majhne transformatorje srečamo namesto lameliranih jeder še feritna jedra. Taka jedra so izdelana iz feromagnetnih materialov v prahu in ga med seboj veže posebno vezivo, ki zagotavlja izolacijo med njimi. 3. 3. 2. Navitja transformatorjev Glede na smer pretakanja energije poznamo primarna in sekundarna navitja. Primarno navitje je tisto, kjer transformator sprejema el. moč pri določeni napetosti in določenem toku. Sekundarno navitje pa je tisto, kjer približno enako moč oddaja transformator naprej, vendar na drugačnem (višjem ali nižjem) nivoju napetosti in toka. Od tod sledi tudi naslednja razdelitev navitij na visokonapetostna in nizkonapetostna. Med seboj se razlikujejo po velikosti izolacije, debelini žice navitij, predvsem pa po številu ovojev. Konstrukcijsko pa razdelimo navitja v tri skupine: − cilindrično ali koncentrično, − ploščato ali kolobarjasto in − mešano navitje.

6

Cilindrično navitje je razvidno iz naslednje slike:

VN NN

Tuljavi visokonapetostnega in nizkonapetostnega navitja sta grajeni v obliki cilindrov. Običajno postavimo bližje stebru nizkonapetostno navitje zaradi lažjega izoliranja. Prednost cilindričnega navitja je v enostavnosti in nižji ceni v primerjavi z ostalimi izvedbami navitij. Nižjo ceno konstrukcije zagotavlja tudi enostavna izvedba izolacije. Slaba stran tega navitja pa je v tem, da taka navitja povzročajo večjo količino stresanega fluksa, ki se ne zaključuje po železnem jedru in tako povzroča izgube. Če je visokonapetostno in nizkonapetostno navitje razdeljeno na več delov, kot je prikazano na sliki 60, potem imamo opravka s ploščatim ali kolobarjastim navitjem.

VN

NNizolacija

Tako navitje imamo zahtevnejšo in dražjo izgradnjo, vendar se dobri rezultati pokažejo pri manjši količini stresanega fluksa. Slaba stran je, da moramo dodatno pojačati izolacijo med VN in NN navitji. Slabše je tudi hlajenje, zato je ta transformator primeren z stebri v vodoravnem položaju. Tako hladilno sredstvo lažje cirkulira med tuljavami. Med obema izvedbama navitij obstaja tudi možnost mešanega navitja. Tako navitje ohrani vse dobre lastnosti obeh prejšnjih variant.

Slika 59: Cilindrično navitje

Slika 60: Ploščato in kolobarjasto navitje

7

VNNN

3. 3. 3. Izolacija aktivnih delov transformatorjev Izolacija vodnikov je lahko izvedena z lakom, bombažem, impregniranim papirjem, kartonom… Transformatorji, ki so hlajeni z oljem, rabijo tudi olje za izolacijo posameznih vodnikov. Izolacija med tuljavami navitij in plastmi istega navitja je lahko oljni papir, oljno platno, tekoča lepenka …Ta izolacija za manjše moči (1 kVA) ni potrebna. Izolacija med visokonapetostnimi in nizkonapetostnimi vodniki se uporablja le, ko je razlika napetosti med obema napetostnima nivojema visoka. Izolacija navitij proti železnemu jedru preprečuje stik navitja pod napetostjo z jedrom. Obstajajo različne tehnike izoliranja, ki so odvisne predvsem od izvedbe navitja. Izolacijo med navitjem in jedrom običajno zagotavlja lepenka ali pertinaks, pri čemer morajo biti zagotovljeni kanali, da lahko kroži hladilno sredstvo. Izolacijo navitij proti jarmu zagotavljamo z porcelanastimi segmenti, obstajajo pa tudi drugi materiali (nekoč celo les). 3. 4. Delovanje transformatorja v praznem teku Kot smo že spoznali v uvodnem poglavju, dela transformator na principu statične elektromagnetne indukcije. Indukcijski zakon se glasi:

tNUi Δ

ΔΦ⋅= (V)

Izraz t/ΔΔΦ predstavlja spremembo fluksa s časom. Na področju električnih strojev bomo označevali inducirano napetosts črko E. Maksimalna inducirana napetost Emax se lahko zapiše tudi s krožno frekvenco ω:

maxmax NE Φ⋅ω⋅= (V)

Z izpeljavo in ureditvijo enačbe dobimo:

maxmax f2NE Φ⋅⋅π⋅⋅=

Slika 61: Mešano navitje

8

Nf44,4Nf2

22

EE mm

max ⋅Φ⋅⋅=⋅Φ⋅⋅π⋅

== (V)

E … efektivna vrednost izmenične napetosti (V) f … frekvenca omrežne napetosti (Hz) Φm … maksimalna vrednost fluksa (Wb = Vs) N … število ovojev navitja Transformator je v praznem teku takrat, ko ga priključimo na primarni strani na nazivno napetost, na sekundarni strani pa ni obremenjen. Ko na primarno navitje priključimo sinusno izmenično napetost, požene ta skozi primarno navitje izmenični tok I10, ki skupaj z ovoji povzroči magnetni pretok Φ12. Tok I10 je zelo majhen in znaša (2 - 4) % nazivnega toka. Fluks se sklepa po celotnem jedru in skozi oba navitja. Zaradi spreminjajočega se magnetnega pretoka se v primarnem navitju N1 inducira napetost:

1211 Nf44,4E Φ⋅⋅⋅=

N1 N2U1

I10

E1E2

12Φ

1Φ

Slika 62: Shema delovanje transformatorja v praznem teku

Fluks je ravno tolikšen, da je priključna napetost U1 enaka primarni inducirani napetosti E1, kar velja v vsakem trenutku. Ker fluks prehaja tudi skozi sekundarno navitje, se tudi tam po istem zakonu inducira napetost:

1222 Nf44,4E Φ⋅⋅⋅= ⇒ U2 ≅ E2 (točno enaki sta napetosti v praznem teku)

Z delitvijo enačb za inducirano napetost pridemo do izraza:

EE

UU

f Nf N

NN

p1

2

1

2

1

2

1

2

4 444 44

= =⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅

= =,,

ΦΦ

p - prestava transformatorja

2

1

2

1

NN

UUp ==

Izraz za prestavo transformatorja nam pove, da so ovoji in napetost na njih v premem sorazmerju.

9

3. 5. Delovanje transformatorja pod obremenitvijo Transformator je pod obremenitvijo takrat, ko ga na primarni strani priključimo na nazivno napetost, na sekundarni strani pa ga obremenimo s porabnikom.

N1 N2U1

I10

E1E2

120Φ

1Φ Zbr

I221Φ

21Φ U2

+ I1

12Φ+

Slika 62: Shema delovanje transformatorja pod obremenitvijo Ko na sponke sekundarnega navitja priključimo breme, bo inducirana napetost pognala skozi breme sekundarni bremenski tok:

br

2

trbr

22 Z

UZZ

EI =

+=

Tok I2 teče skozi sekundarno navitje, zato skupaj z ovoji povzroči nek dodatni fluks Φ21. Fluks mora zaradi konstantne primarne inducirane napetosti ostati nespremenjen, zato bo transformator iz mreže potegnil dodatni primarni tok I1, ki je posledica obremenitve, da bo ta dodatni fluks Φ21 skupaj z ovoji N1 uničil. Fluksa Φ21 in Φ12 se bosta uničevala, če bo dodatni primarni fluks enak sekundarnemu:

2211 NINI ⋅=⋅

Tok I1 je pri nazivni obremenitvi dosti večji od toka praznega toka I10, zato lahko tok I10 zanemarimo.

Sledi: I N I N1 1 2 2⋅ = ⋅ ⇒ II

NN

2

1

1

2=

Iz tega izraza vidimo, da je število ovojev obratno sorazmerno toku skozi primarno in sekundarno stran. Če zapišemo kompletno enačbo prestave z že znanimi dejstvi, velja:

1

2

2

1

2

1

II

NN

UU

p ===

V praksi ta enačba pomeni, da je za višjo napetost potrebno večje število ovojev tanjše žice. Obratno velja, da je pri višjem toku potrebno manjše število ovojev debele žice.

10

Kaj je z močjo?

112

11

1

21222 IU

NN

INN

UIUS ⋅=⋅⋅⋅=⋅=

Moč je na obeh staneh (primarni in sekundarni) enaka, če seveda zanemarimo izgube v transformatorju. Takšen bi bil idealni transformator. Realni transformator ima izgube, ki se pojavljajo v železnem jedru in navitjih. Izgube v transformatorju bomo spoznali v nadaljevanju. 3. 6. Preizkus praznega teka transformatorja Preizkuse na transformatorju izvajamo z namenom, da ugotovimo količino izgub v njem. Preizkus praznega teka izvajamo po naslednji shemi:

A W

VU1 U2

I10 I2 = 0

Slika 63: Priključitev transformatorja pri preizkusu praznega teka Napetosti na primarni in sekundarni strani sta nazivni. Tok praznega teka I10 znaša (2 - 4) % nazivnega toka. Zaradi tega so izgube v bakru v primarnem navitju izredno majhne – zanemarljive, v sekundarnem navitju pa jih sploh ni, saj skozi to navitje ne teče noben tok. Potemtakem je moč, ki jo transformator jemlje iz mreže praktično enaka izgubam v železu, ker so izgube v bakru zanemarljive. Izgube v železu transformatorja se delijo v dve skupini: na vrtinčne in histerezne:

histvrtFe PPP += (W)

3. 7. Preizkus kratkega stika transformatorja Kratek stik napravimo tako, da sponke sekundarnega navitja kratko sklenemo, na primarno navitje pa priključimo tolikšno napetost, da bo skozi primarno in sekundarno navitje stekel nazivni tok. Tej napetosti pravimo kratkostična napetost in znaša uk = (4 - 12) % nazivne primarne napetosti. Večji transformatorji imajo večjo uk, manjši pa manjšo uk. V kratkem stiku je inducirana napetost približno polovica pritisnjene in je s tem majhna in so zato majhne tudi izgube v železu. Skozi navitja pa teče nazivni tok, tako na primarni, kot tudi sekundarni strani. Izgube v kratkem stiku so torej enake izgubam v navitju – bakru in jih določimo:

Cu222Cu1

21Cu RIRIP ⋅+⋅=

11

A W

Vuk

I1n I2n

Slika 64: Priključitev transformatorja pri preizkusu kratkega stika

3. 8. Izgube v transformatorju in izkoristek Noben električni stroj ne odda toliko energije, kot je sprejme in transformator ni nobena izjema. Torej imamo tudi pri transformatorju opravka z izkoristkom.

TransformatorP1 P2

P izg

Slika 65: Bilanca energije pri transformatorju

Enačba bilance energije v transformatorju je:

izg21 PPP += (W) Pogosteje kot enačbo bilance energije uporabljamo pojem izkoristek. Izkoristek je vedno definiran kot razmerje med izhodno in vhodno močjo. V našem primeru torej velja:

1

2

PP

=η (relativni izkoristek, ki je lahko od 0 do 1)

%100PP

1

2% ⋅=η (procentualni izkoristek, ki je lahko od 0 do 100)

12

Vedeti je potrebno, da se izkoristek transformatorja z obremenitvijo spreminja. Najboljši izkoristek ima pri približno 70 % obremenitvi. Pri tej obremenitvi so za energetske transformatorje izgube v železu približno enake izgubam v bakru, izkoristek pa se giblje med 95 in 99 %.

%η

100

50

20 40 60 80 100 % obremenitve

Slika 66: Krivulja izkoristka obremenjenega transformatorja Posledica izgub je kot smo že spoznali segrevanje železnega jedra in bakrenih navitij. Kljub temu dejstvu lahko transformator obravnavamo kot el. stroj z razmeroma uspešno energijsko pretvorbo. Izkoristki večjih energetskih transformatorjev v razdelilnih transformatorskih postajah so boljši in znašajo nad 95 % in vse do 99 %. Slabše izkoristke imajo manjši transformatorji, predvsem izstopajo mali transformatorji, ki jih uporabljamo kot napajalnike za elektronske naprave. Pri takšnih transformatorjih se izkoristki gibljejo okoli 70 %. 3. 8. 1. Izgube v železnem jedru transformatorja Izgube v železnem jedru imajo dva vzroka: − zaradi magnetenja železnega jedra po histerezni zanki in − zaradi pojava vrtinčnih tokov – vrtinčne izgube. Histerezne izgube so premosorazmerne s ploščino histerezne zanke. Tej zahtevi ustreza mehkomagnetna pločevina. Pri izbiri materiala morajo biti posebej pozorni projektanti, ki izbirajo materiale. Vrtinčni tokovi so posledica nastanka induciranih napetosti v železu, ki skozi jedro poženejo vrtinčne tokove. Te izgube odpravimo z lameliranjem jedra. Izgube v železu so merljive: izmerimo jih s preizkusom praznega teka, prav tako pa jih je možno tudi izračunati:

Fe2

1FeFe mB50fpP ⋅⋅⋅=

PFe - skupne izgube v železnem jedru transformatorja (W) f - frekvenca omrežne napetosti: 50 Hz B - gostota magnetnega pretoka (T) mFe - masa železnega jedra (kg) pFe1 - specifične izgube (W/kg)

13

3. 8. 2. Izgube v bakrenem navitju transformatorja Izgube v navitjih so posledica pretoka tokov skozi njih in ohmske upornosti navitij:

Cu222Cu1

212Cu1CuCu RIRIPPP ⋅+⋅=+=

PCu - skupne izgube v bakrenih navitjih transformatorja (W) PCu1 - izgube v primarnem navitju (W) PCu2 - izgube v sekundarnem navitju (W) R1Cu - ohmska upornost primarnega navitja (Ω) R2Cu - ohmska upornost sekundarnega navitja (Ω) Izgube v bakru lahko računamo tudi na drugačen način, da izhajamo iz gostote el. toka in upornosti vodnikov:

AIJ = ;

AlR ⋅ρ

=

γ⋅ρ⋅=

γγ⋅ρ⋅⋅=ρ⋅⋅=⋅ρ⋅⋅=

⋅ρ⋅⋅=⋅= Cu222222

Cum

JVJVJlAJA

l)AJ(RIP

γ⋅ρ⋅= Cu2

Cum

JP

J - gostota el. toka v navitjih (A/m2) ρ - specifična upornost (Ω) mCu - masa bakrenega navitja (kg) γ - gostota bakra (kg/m3) Specifične izgube, ki veljajo za 1 kg bakra lahko izračunamo po naslednji enačbi:

122Cu 10J96,1p −⋅⋅= (W/kg)

pCu … specifične izgube v bakru (W/kg)

3. 9. Trifazni transformator Osnova proizvodnje, prenosa in razdelitve električne energije je trifazni sistem, zato morajo biti tudi transformatorji trifazni. Trifazni transformatorji v Evropi ali v Ameriki predstavljajo popolnoma različno izvedbo. V Ameriki predstavljajo trije enofazni transformatorji celoto trifaznega transformatorja. Navitja takšnih treh enot so med seboj ustrezno povezana, kar bomo videli v nadaljevanju. Izvedbo takšnega transformatorja lahko vidimo na naslednji sliki:

14

Slika 66: Ameriška izvedba trifaznega transformatorja

Evropska izvedba trifaznega transformatorja ima eno samo jedro sestavljeno iz treh stebrov in povezujočega jarma.

Obe izvedbi transformatorjev imata svoje prednosti in slabosti. Vseeno pa je opaziti, da gre svetovni razvoj vendarle bolj v evropsko izvedbo, saj ima določene prednosti pred ameriško izvedbo: − so cenejši, kot trije enofazni, − zasedajo manjšo površino, − so lažji, − za manipulacijo imamo le eno enoto. Obstajajo pa tudi razlogi proti uporabi evropske izvedbe trifaznega transformatorja: − večja teža po enoti in zato težji transport, − če je potrebna rezerva, rabimo cel trifazni transformator pri ameriški izvedbi zadostuje le ena enota).

Slika 67: Evropska izvedba trifaznega transformatorja

15

3. 9. 1. Vezave trifaznih transformatorjev in označevanje priključnih sponk Naša nadaljnja obravnava trifaznega transformatorja bo temeljila na evropski izvedbi. V prejšnjem poglavju smo videli način namestitve primarnih in sekundarnih navitij na jedro trifaznega transformatorja. Tokrat bomo spoznali, kako lahko ta navitja med seboj povežemo. Pri transformatorju obstajajo tri možnosti povezave trifaznih navitij: − vezava zvezda, − vezava trikot in − vezava lomljena zvezda ali cik – cak. Oznake posameznih navitij so:

Vezava Primarno navitje Sekundarno navitje Zvezda Y y Trikot D d

Cik - cak - Z Označujemo tudi priključne sponke navitij. Sistem označevanja posameznih navitij faz na primarni in sekundarni strani je prikazan na naslednji sliki:

L1

1U

1U1

1U2

L2

1V

1V1

1V2

L3

1W

1W1

1W2

2U 2V 2W

2U2 2V2 2W2

2U1 2V1 2W1

N

Slika 68: Sistem označevanj sponk navitij trifaznih transformatorjev

16

Vezava zvezda: Vezavo zvezda imamo takrat, ko navitja transformatorja na primarni ali sekundarni strani na koncih kratko povežemo, začetke navitij pa priključimo na el. napetost izvora (primar) ali pa na njih priključimo porabniški tokokrog (sekundar). Poglejmo si vezavo zvezda z označenimi tokovi in napetostmi:

U1 V1 W1 N

U12 U23 U3

U1

U2

U13

If1 If2 If3

I1

I2

I3

U2 V2 W2 Poglejmo si kazalčni diagram napetosti in tokov.

Uf3 Uf2

Uf1

U12

U23

U31

Uf3 Uf2

Uf1

If3

If2

If1

a) b)

Slika 70: Kazalčni diagram faznih in medfaznih napetosti ter faznih tokov

Razlaga veličin: I1, I2, I3 … linijski tokovi (A) If1, If2, If3 … fazni tokovi (A) U1, U2, U3 … fazne napetosti (V) U12, U23, U13 … medfazne napetosti (V) Slika 69: Vezava navitij zvezda

17

Odnos med faznimi in medfaznimi napetostmi lahko določimo iz kazalčnega diagrama. Daljši so kazalci medfazne napetosti, kar pomeni, da je medfazna napetost večja:

fU3U ⋅= Iz te enačbe je razvidno, da je medfazna napetost 73 % večja od fazne. Odnos linijskih in faznih tokov je razviden iz slike 70. Vidimo lahko, da sta oba tokova enaka. Če je sistem simetričen, potem je vsota vseh faznih tokov nič in skozi nevtralni vodnik ne steče noben tok. Vezava trikot: Vezavo trikot imamo takrat, ko so vsa navitja transformatorja povezana zaporedno, pri čemer kratko vežemo še začetek prve faze in konec tretje.

U1 V1 W1

If1 If2 If3

I1

I2

I3

U2 V2 W2

Poglejmo si še kazalčni diagram napetosti, ki so tokrat samo medfazne:

U3

U2U1

Slika 71: Vezava trikot V vezavi trikot imamo opravka samo z eno napetostjo, to je medfazno napetostjo:

Uf = U

Na nivoju nizke napetosti je ta napetost 400 V. Drugače pa je s tokovi. Skozi fazne vodnike stečejo fazni tokovi, skozi linije faznih vodnikov pa linijski tokovi. Linijski tokovi so večji in sicer za 73 %:

fI3I ⋅=

Slika 72: Kazalčni diagram vezave trikot

18

Vezava cik – cak ali lomljena zvezda: Vezavo cik – cak uporabljamo le na nizkonapetostni strani za napajanje skupin porabnikov z nesimetrično obremenitvijo. Pri tej vezavi delimo navitja posameznih faz na dve polovični navitji. Pri tem je eno polovično navitje prve faze nameščeno na prvem stebru, drugo polovično navitje pa na drugem stebru. Tako se sistem nadaljuje naprej po ostalih dveh fazah, kot prikazuje naslednja slika:

If1

If1

U2 V2 W2 N Fazno napetost lomljene zvezde dobimo z vsoto kazalcev dveh polovičnih napetosti, ki se inducirata v dveh različnih navitjih, ki sta na dveh različnih stebrih. Kazalčni diagram za lomljeno zvezdo je:

Uf3 Uf2

Uf1

Uf1/2

Uf1/2

Uf2/2

Uf2/2

Uf3/2

Uf3/2

Primerjava faznih napetosti, ki jo lahko dobimo iz kazalčnega diagrama nam pove, da bi bila fazna napetost v lomljeni zvezdi Ufz manjša od fazne napetosti v vezavi zvezda Ufy:

fyfz U23U ⋅=

Slika 73: Vezava cik - cak

Slika 74: Kazalčni diagram vezave cik - cak

19

To pomeni, da je število ovojev v lomljeni zvezdi potrebno povečati za okoli 15,5 %, če želimo imeti enako fazno napetost, kot v vezavi zvezda. Iz tega sledi, da je vezava cik – cak dražja od vezav zvezda in trikot. Največ se uporablja pri transformatorjih srednjih moči (do 400 kVA). Praviloma jo uporabljamo na nizkonapetostni strani, kajti vzdrži velike nesimetrične obremenitve, pa tudi trenutne preobremenitve posameznih faz. 3. 9. 2. Uporaba kombinacij vezav trifaznih transformatorjev V prejšnjem poglavju smo spoznali možne vezave navitij trifaznih transformatorjev: zvezda, trikot ali cik – cak. Vezavi zvezda in trikot lahko uporabljamo na primarni in sekundarni strani, medtem ko vezavo cik - cak uporabljamo le na sekundarni strani navitja. Vezave cik – cak ne uporabljamo na primarni strani zato, ker bi ustvarjala prevelike tretjeharmonske komponente magnetilnega toka, kar bi pomenilo onesnaževanje omrežja. Tako se v praksi uporabljajo naslednje kombinacije vezav: Yy, Dd, Dy, Yd, Yz in Dz. Med naštetimi možnostmi so najpogostejše naslednje kombinacije: Yy, Dy, Yd in Yz. 3. 9. 2. 1. Vezava zvezda – zvezda (Yy)

1U

1U1

1U2

1V

1V1

1V2

1W

1W1

1W2

2U 2V 2W

2U2 2V2 2W2

2U1 2V1 2W1

M

Slika 75: Vezava zvezda – zvezda

Pri tej vezavi sta primarno in sekundarno navitje povezana v vezavo zvezda. Na sekundarni strani nevtralnega vodnika običajno ni, tako da nanj nimamo možnosti priključevati enofazne porabnike. Ti bi povzročali nesimetrične obremenitve, sama vezava pa je namenjena simetričnim obremenitvam. Med temi porabniki so najbolj značilni večji elektromotorji, zato jo tudi imenujemo motorska vezava. Ob simetrični obremenitvi velja, da je vsota vseh tokov v posameznih fazah enaka nič. To pomeni, da po posameznih navitjih tečejo enako veliki tokovi: If1 = If2 = If3, fazne impedance so tudi enake: Zf1 = Zf2 = Zf3, Pa tudi fazni premiki med faznimi napetostmi in tokovi so enaki: ϕ1 = ϕ2 = ϕ3.

20

Poglejmo si primerjavo kazalčnih diagramov za primer simetrične in nesimetrične obremenitve:

Uf3 Uf2

Uf1

If3

If2

If1

Uf3 Uf2

Uf1

NN

,

,

, ,

Sliki 76: Kazalčna diagrama za primer simetrične obremenitve (a) in nesimetrične obremenitve (b) V primeru nesimetričnih obremenitev se ničlišče premakne. To se zgodi zaradi dodatnih sofaznih magnetnih pretokov. Tako so fazne napetosti neenake, medtem ko ostanejo medfazne napetosti enake. Sofazni magnetni pretoki se ne zaključijo po železnem jedru, temveč po stenah kotla, po olju itd. Zaradi velikih magnetnih upornosti ti magnetni pretoki sicer ne dosežejo velikih jakosti, povzročajo pa dodatne izgube (segrevanje kotla zaradi vrtinčnih izgub). Brez opaznih težav bi transformator v vezavi Yy dovoljeval tudi nesimetrične obremenitve, pri katerih tok nesimetrije po nevtralnem vodniku ne bi presegal 10 % vrednosti nazivnega toka. 3. 9. 2. 2. Vezava trikot – zvezda (Dy) To je transformator, ki ima primarno navitje vazano v trikot, sekundarno pa v zvezdo z nevtralnim vodnikom. Na sekundarno navitje lahko priključujemo tako enofazne kot tudi trifazne porabnike. To pomeni, da lahko to vezavo uporabljamo tudi za nesimetrične obremenitve. Ko pride do nesimetrične obremenitve faz na sekundarni strani, steče tok skozi nevtralni vodnik. Temu toku držijo na primarni strani ravnovesno magnetno stanje tokovi, ki se pretakajo skozi vezavo trikot. Ti tokovi ne povzročajo dodatnih induciranih napetosti, ne premika zvezdišča in tudi ne različnih faznih napetosti. Iz povedanega sledi, da se vsak transformator v tej vezavi lahko uporablja za napajanje področij z nesimetrično obremenitvijo. Najpogostejša izvedba takih transformatorjev so industrijski transformatorji. 3. 9. 2. 3. Vezava zvezda – trikot (Yd) Pri tej vezavi navitij transformatorja sta navitji glede na prejšnji primer v zamenjani vlogi. Transformatorji v tej vezavi se uporabljajo pri prenosu električne energije z visokimi napetostmi in kot transformatorji na pragu elektrarne. Gradijo se za moči od 630 kVA do 1200 kVA. Če je na primarni strani izvedeno zvezdišče, se le to uporablja izključno za ozemljitev preko Petersenove tuljave, ki služi kot zaščita tokov zemeljskega stika.

21

1U

1U1

1U2

1V

1V1

1V2

1W

1W1

1W2

2U 2V 2W

2U2 2V2 2W2

2U1 2V1 2W1

M

N

1U

1U1

1U2

1V

1V1

1V2

1W

1W1

1W2

2U 2V 2W

2U2 2V2 2W2

2U1 2V1 2W1

Sliki 77: Vezavi Dy (levo) in Yd (desno)

3. 9. 2. 4. Vezava zvezda – lomljena zvezda (Yz)

Funkcionalno je ta vezava podobna vezavi Dy in je torej primerna za napajanje področij z nesimetrično obremenitvijo. Za razliko od vezave Dy se izravnava vrši že kar na sekundarni strani (pri Dy se je vršila na primarni). Znano je, da je pri vezavi lomljena zvezda vsako fazno navitje s po dvema polovičnima navitjema nameščeno na dveh različnih stebrih. Zato tokovi skozi nevtralni vodnik, ki tečejo zaradi nesimetrije, ne morejo ustvariti svojih magnetnih pretokov. Ti tokovi tečejo po nasprotnih smereh po obeh polovičnih navitjih enega stebra. Ker so to istofazni tokovi, se njihov učinek v vezavi lomljena zvezda uničuje. Razen nesimetričnih obremenitev vzdržijo transformatorji v vezavi Yz tudi trenutne preobremenitve posameznih faz in so zaradi tega primerni za napajanje podeželskih omrežij z nihajočo obremenitvijo. Slika 78: Vezava Yz

1U

1U1

1U2

1V

1V1

1V2

1W

1W1

1W2

2U 2V 2W N

22

3. 9. 3. Številka vezne skupine trifaznih transformatorjev Zraven oznak posameznih vezav transformatorjev srečamo na koncu oznake še številke: npr. Yy6, Dz6, Yz11 itd. Številka za oznako vezave primarnega in sekundarnega navitja pomeni številko vezne skupine. Številka vezne skupine pove, za kolikokrat po 30° zaostaja sekundarna napetost za istoimensko primarno napetostjo. Premiki med istoimenskimi napetostmi na primarni in sekundarni strani nastajajo zaradi različnih kombinacij že prej naštetih vezav transformatorskih navitij. Najlažje si razložimo pojem številke vezne skupine na modelu ure, ko vidimo na naslednji sliki:

Slika 79: Primer uporabe modela ure za določanje številke vezne skupine (Dy11)

Slika 80: Primer uporabe vezav trifaznih transformatorjev

23

Opozoriti je potrebno, da je na slikah 79 in 80 sistem označevanja posameznih napetosti izveden po starem označevanju, ko veljajo za primar velike črke (A, B, C) in sekundar male črke (a, b, c). V tabeli na sliki 80 so prikazane vse možne kombinacije vezav. Med njimi so najpogostejše naslednje kombinacije: − Yy0 - Za omrežne transformatorje moči nad 400 kVA in napetosti 35 kV. Ker novogradenj 35 kV omrežja ni več, ta sistem že nekaj časa opuščamo.

− Yd5 - To je transformator, ki ga uporabljamo za transformacijo generatorjeve napetosti na pragu elektrarne v visoko napetost.

− Dy5 - Uporabljamo ga kot omrežni transformator 20/0,4 kV moči od 250 kVA navzgor. − Yz5 - Uporabljamo ga kot omrežni transformator 20/0,4 kV moči do 400 kVA. Vidimo, da se pri nas veliko uporablja vezalna skupina 5, že nekaj let pa se novejši transformatorji pojavljajo v vezalni skupini 11, kar je praksa v večini evropskih držav. 3. 9. 4. Paralelno delovanje trifaznih transformatorjev Dva transformatorja priključimo paralelno takrat, kadar moč enega transformatorja ni zadosti velika, da bi napajal zadostno število potrošnikov. Prav tako z paralelnim obratovanjem večih transformatorjev dosežemo večjo zanesljivost obratovanja. Paralelno povežemo transformatorje tako, da ustrezno povežemo sponke transformatorjev na primarni in sekundarni strani z omrežjem.

S1 S2

L1,2,3

L1,2,3 Za povezavo v paralelno obratovanje morata transformatorja izpolnjevati štiri pogoje: 1. Transformatorja morata imeti popolnoma enaki prestavi, saj bi v nasprotnem primeru

razlika napetosti pognala izenačevalni tok, ki je pri vsoti kratkostičnih napetosti že enak nazivnemu toku;

2. Kratkostični napetosti morata biti približno enaki, razlikujeta se lahko največ za ± 10%. V nasprotnem primeru, bi se obremenitev transformatorja porazdelila neenakomerno;

3. Številki vezne skupine obeh transormatorjev morata biti enaki, da med sponkami, ki jih povežemo na sekundarni strani ni izenačevalnih napetosti. Včasih lahko s posebno vezavo dosežemo paralelno obratovanje dveh transformatorjev kljub temu, da nimata enakih številk vezne skupine, če je razlika med njima 4 ali 8;

4. Nazivni moči transformatorjev sta lahko v razmerju največ 3 : 1. V nasprotnem primeru je manjši transformator preobremenjen.

Slika 81: Paralelna priključitev dveh transformatorjev

24

3. 10. Segrevanje in hlajenje transformatorjev Ugotovili smo že, da se pri obratovanju v transformatorju pojavljajo izgube – razvija se toplota v Fe jedru in Cu navitjih. Zaradi tega narašča temperatura. Ko je temperatura telesa višja od temperature okolice, začne telo okolici oddajati toploto in je zato naraščanje temperature počasnejše. Tako segrevanje kot tudi ohlajanje se vršita po eksponentni krivulji, kot je to razvidno iz naslednjih slik:

)C(T °

t (h)

)C(T °

t (h)

Sliki 82: Krivulja segrevanja (levo) in ohlajanja transformatorja(desno)

Telo oddaja toploto na tri načine: − z neposrednim dotikom oziroma prevodom toplote, − preko posrednika: zraka ali olja, kar imenujemo konvekcija, − s sevanjem. Temperatura vpliva tudi na moč transformatorja in njegovo življenjsko dobo izolacije. Zato je nujno potrebno transformatorje hladiti. Hladimo jih tako, da odvajamo toploto. Hladimo jih lahko z zrakom ali oljem. Obtok hladilnega sredstva je lahko naraven ali prisilen. Lahko tudi kombiniramo obe hladilni sredstvi. 3. 10. 1. Suhi transformatorji Suhi transformatorji so grajeni za manjše moči (do 200 kVA) in za napetosti do 500 V. Uporaba takšnih transformatorjev je lahko kot zaščitni transformator za malo napetost (42 ali 24 V), zaščitni transformator za galvansko ločevanje, za pomožne tokokroge, kot napajalni transformatorji v gledališčih, v rudnikih ali kot ladijski transformatorji. Posebnost ladijskih transformatorjev je, da so izdelani v posebni zaprti izvedbi, kjer so navitja izolirana s silikonom. V posebnih izvedbah se suhi transformatorji uporabljajo tudi za napetosti do 15 kV in za moči do 1000 kVA. 3. 10. 2. Oljni transformatorji Transformatorji večjih moči se hladijo s pomočjo olja. Takrat mora biti transformator nameščen v transformatorskem kotlu, ki lahko ima ravne ali rebraste pločevinaste stene. Marsikdaj so za povečanje hladilne površine kotla nameščeni še radiatorji. Hlajenje z oljem, zrakom ali kombinirano lahko izvajamo na več načinov:

25

− naravno hlajenje transformatorja, − hlajenje s prisilnim obtokom zraka (z ventilatorji), − hlajenje s prisilnim obtokom zraka skozi hladilnik, − hlajenje s prisilnim obtokom olja, ki ga hladimo s prisilnim obtokom zraka, − hlajenje s prisilnim obtokom olja, ki ga hladimo z vodo. Izgled energetskega transformatorja, kjer je sistem hlajenja z oljem v kotlu, dodatnimi radiatorji in prisilno cirkulacijo zraka z ventilatorji, vidimo na naslednji sliki:

Pasivni sestavni deli energetskega transformatorja, ki tvorijo opremo transformatorja pri hlajenju so predstavljeni v nadaljevanju.

⇒ Transformatorski kotel Lahko je iz ravne pločevine (do 30 kVA), rebraste pločevine (do 250 kVA), z dodanimi radiatorji ali cevmi (do 30 MVA), z dodatnimi hladilniki s hladno vodo (nad 30 MVA).

⇒ Konzervator To je valjasta posoda, ki ima prostornino 1/10 prostornine kotla in je nameščen nad kotlom. Imeti ga mora vsak transformator moči nad 50 kVA. Naloge konzervatorja so:

o rezervna posoda z oljem, o omogoča raztezanje olja, o skrbi za prezračevanje olja, o olje v kotlu odvaja od zunanjega vlažnega zraka.

⇒ Oljekaz Nameščen je v konzervatorju in rabi za kontrolo količine olja v njem. Vsaka izvedba oljekaza mora imeti jasno označen zgornji in spodnji nivo olja. Ko transformator dela pod nazivno obremenitvijo, mora biti nivo olja vedno med obema skrajnima nivojema.

⇒ Sušilec zraka Uporablja se samo pri transformatorjih večjih moči. To je steklena posoda, v kateri je nameščena zelo higroskopična kemična snov. Ta snov je silikagel (SiO2). Ob namestitvi je silikagel suh in modre barve, ko pa črpa vlago iz zraka, postaja modrikast. Po sušenju postane silikagel spet modre barve in ga lahko ponovno uporabimo.

Slika 83: Energetski transformator

26

⇒ Odprtina za dolivanje olja Na vrhu konzervatorja je odprtina, ki služi za dolivanje olja v transformatorski kotel. Pri transformatorjih manjših moči skozi to odprtino izhajajo plini in odprtina rabi tudi za zračenje olja. V tem primeru pride z zrakom v olje tudi vlaga, ki se zbira na dnu konzervatorja in jo moramo od časa do časa spuščati s posebnim ventilom na prosto. Da vlaga ne bi prišla v kotel, mora cev, ki povezuje konzervator s kotlom segati nekaj cm nad dno konzervatorja.

⇒ Eksplozijski ventil V primeru nastanka kratkega stika v transformatorju in zatajitve zaščite, bi nastal velik pritisk znotraj kotla. Nevarnost bi bila še zlasti izrazita pri transformatorjih moči nad 1000 kVA, zato se v transformatorje nad to moč vgrajujejo eksplozijski ventili. Eksplozijski ventil predstavlja jeklena cev, ki je s spodnjim koncem spojena s kotlom in konzervatorjem, na zgornjem koncu pa je cev zaprta s kovinsko membrano. Pri prevelikem pritisku kovinska membrana poči in olje lahko izteče iz kotla.

⇒ Kontaktni termometer Nameščen je v žepu, ki je na pokrovu transformatorskega kotla. Kontaktni termometer kontrolira temperaturo olja v transformatorskem kotlu. Če se olje preveč segreje, kontaktni termometer javi napako z alarmiranjem in po potrebi povzroči samodejni izklop obratovanja transformatorja.

⇒ Prevodni izolatorji - skoznjiki Te izolatorje smo že spoznali v 2. poglavju, kjer smo obravnavali elemente transformatorskih postaj. Skoznjiki nam omogočajo prehod dovoda v transformator skozi kotel, prav tako pa transformirano napetost oz. tok odvajajo iz transformatorja preko kotla.

⇒ Kovinski locnji Služijo pri montaži transformatorja v kotel. To so torej montažne naprave, ki nosijo transformator. Manjši transformatorji imajo dva locnja, večji pa štiri.

27

⇒ Radiatorji Z radiatorji povečujemo hladilno površino olja.

⇒ Ventil za izpuščanje olja Nameščen je na steni na dnu transformatorskega kotla. Rabi za izpuščanje olja pri praznjenju kotla zaradi popravila transformatorja, menjave olja ali drugih razlogov.

⇒ Kolesa Vsi transformatorji moči nad 50 kVA morajo imeti lastna kolesa, da jih lahko premikamo po tračnicah. Med obratovanjem transformatorja morajo biti seveda kolesa blokirana, da se transformator med obratovanjem ne premika.

⇒ Tračnice Ob remontu je potrebno transformator odpeljati v remontno delavnico, zato je potrebno zagotoviti tračnice, po katerih pripeljemo transformator do vozila, kamor ga naložimo.

⇒ Jama z gramozom Pod transformatorji večjih moči je betonirana jama, ki je napolnjena z drobnim kamenjem. Če bi transformatorska zaščita ob okvari zatajila, bi goreče olje iztekalo v okolico in bi gorelo na veliki površini. To bi pomenilo ogromno škodo. Tako lahko ob napaki olje izpustimo v oljno jamo, kjer se požar med kamenjem zaduši.

⇒ Transformatorsko olje Pri večini transformatorjev zapolnimo prostor v kotlu s transformatorskim oljem, ki je mineralnega izvora. Olje uporabimo, ker ima dve zelo dobri lastnosti:

o ima veliko električno prebojno trdnost in je zato dober izolator, o ima veliko specifično toploto in je zato dobro hladilno sredstvo.

Olje mora imeti med obratovanjem prebojno trdnost vsaj 80 kV/cm, novo olje pa vsaj 125 kV/cm. Novo olje v visokonapetostnih transformatorjih mora imeti prebojno trdnost vsaj 200 kV/cm. Med obratovanjem se olje napija z vlago, v njega prihajajo nečistoče, zato njegove dobre lastnosti upadajo. Olje moramo regenerirati s filtriranjem, centrifugiranjem in segrevanjem pri 105 °C. V olju se dogajajo kemične spremembe znane pod imenom staranje olja. To se dogaja tem hitreje, čim višja je obratovalna temperatura. Zaradi procesa staranja je potrebno olje po določenem času zamenjati.

3. 11. Okvare in zaščita transformatorja V transformatorju lahko pride do treh značilnih okvar: - preboj, - stik med ovoji, - stik navitja z Fe jedrom. Do prebojev prihaja zaradi različnih prenapetosti. Kadar je pojav kratkotrajen, potem ne škodi transformatorju, medtem ko močnejše prenapetosti povzročajo trajne preboje – el. lok z visoko temperaturo, ki topi baker. Pri stiku med ovoji zaradi poškodovane izolacije požene inducirana napetost po ovojih kratkostični tok. Pri malih transformatorjih je posledica močno segrevanje navitja in zgorela

28

izolacija. Pri velikih transformatorjih pa inducirana napetost povzroči el. lok, ki takoj topi baker v poškodovanem ovoju, na ostalih ovojih pa je pojav manj intenziven in ostane izolacija praktično nepoškodovana. Zaščita na transformatorju je v osnovi dvojna: - Buchholzova zaščita, ki smo jo že spoznali v elementih transformatorskih postaj in ščiti v

bistvu vse napake notranjega in zunanjega izvora, - diferenčna zaščita, ki smo jo tudi že spoznali in jo uporabljamo predvsem na večjih

transformatorjih, kjer Buchholzova zaščita ni dovolj hitra. 3. 12. Posebne vrste transformatorjev Do sedaj smo spoznavali največkrat uporabljeno osnovno izvedbo transformatorja, ki se uporablja kot energetski transformator in tudi kot napajalni transformator za manjše naprave. Takšen transformator je res najpogostejši, še zdaleč pa ni edina izvedba transformatorja takšna. V nadaljevanju bomo spoznali nekaj najbolj tipičnih izvedb posebnih vrst transformatorjev. Nadaljnja obravnava se bo nanašala na: - avtotransformator, - merilni transformatorji, - regulacijski transformator, - varilni transformator, - zaščitni … 3. 12. 1. Avtotransformator Ima samo eno navitje, s katerega napravimo odcep na sekundarno stran. Najdemo ga v enofazni in trifazni izvedbi. Imenujemo ga tudi varčni transformator, saj smo z njim prihranili na materialu, ker imamo eno navitje manj. Vendarle je pa to eno navitje razdeljeno na dva dela: - serijsko navitje in - skupno navitje.

I 1

U1

ZU2

I2

N2

N1

Slika 85: Vezava navitij avtotransformatorja Avtotransformator – transformator v varčni vezavi dela z močjo:

29

2211P IUIUP ⋅=⋅= To moč imenujemo prehodna moč. Če bi iz avtotransformatorja naredili normalni transformator z dvema ločenima navitjema, bi bila njegova vezava naslednja:

I 1

U1-U2N1-N2 U2

I2-I1

N2

Slika 86: Vezava navitij avtotransformatorja Moč takšnega transformatorja bi bila:

)II(UI)UU(P 122121t −⋅=⋅−= To moč imenujemo tipska moč avtotransformatorja. S primerjavo obeh moči: prehodne in tipske dobimo:

21

1

121

11

t

P

UUU

I)UU(IU

PP

−=

⋅−⋅

= 12

2

212

22

t

P

III

U)II(IU

PP

−=

⋅−⋅

=

Izpeljane enačbe uporabimo na primeru dveh transformatorjev: pri prvem je sekundarna napetost 90 % primarne, pri drugem pa je sekundarna napetost samo 10 % primarne napetosti. a) U2 = 0,9 . U1

10U1,0

UU9,0U

UUU

UPP

1

1

11

1

21

1

t

P =⋅

=⋅−

=−

= ⇒ Pp = 10 . Pt

b) U2 = 0,1 . U1

11,1U9,0

UU1,0U

UUU

UPP

1

1

11

1

21

1

t

P =⋅

=⋅−

=−

= ⇒ Pp = 1,11 . Pt

Podana primera nam povesta, da je v primeru a) moč, s katero dela avtotransformator desetkrat večja od moči, s katero bi delal pri dveh ločenih navitjih. V primeru b) pa opazimo, da dela transformator le z 11 % večjo močjo, kot bi delal pri dveh ločenih navitjih. Iz podanega primera sledi, da dela transformator z najboljšo prehodno močjo takrat, ko je prestava čim bližje ena. Takrat je prihranek materiala največji. Avtotransformator ima tudi slabosti:

30

- galvanska povezava primarne in sekundarne strani, zato ga ne moremo porabiti kot zaščitnega,

- omejena uporaba glede prestavnega razmerja (v praksi do 1,25 za VN navitja in 2 za nižje SN navitja).

Izvedbo avtotransformatorja poznamo tako v enofazni, kot tudi v trifazni izvedbi. Avtotransformatorji se uporabljajo v omrežjih srednjih in visokih napetosti kot regulacijski transformatorji, kot zagonski transformatorji pri zagonu motorjev, kot prehodni transformatorji v visokonapetostnih omrežjih, kot delilci napetosti v preizkusnih postajah in tudi kot varilni transformatorji. 3. 12. 2. Tokovni merilni transformator - tokovnik Ta transformator smo s stališča uporabe že spoznali v 2. poglavju, sedaj pa si poglejmo njegove električne lastnosti. Tej obliki transformatorja vežemo primarno navitje zaporedno v tokokrog:

Z

I 1

A

K L

k l

U

Vidimo, da je transformatorju vsiljen primarni tok, sekundarno navitje pa je preko ampermetra v kratkem stiku. Ker je transformator v kratkem stiku, je v njegovem navitju majhna gostota magnetnega pretoka (B < 0,1 T). Zato je tudi padec napetosti v transformatorju majhen – je tolikšen kot znaša uk. Gostota magnetnega pretoka v jedru je majhna iz razloga, ker jedro magneti vsota magnetne napetosti na primarni in sekundarni strani. Če bi sekundarni tokokrog razklenili, se fluks iz primarne strani ne bi več mogel kompenzirati s fluksom iz sekundarne strani. Zato bi se močno povečala gostota magnetnega pretoka v jedru in bi se jedro premočno segrelo. V sekundarnem navitju bi se inducirala ogromno napetost, ki bi povzročila preboj. Iz tega razloga sekundarni tokokrog ne smemo niti za trenutek razkleniti. Primarni nazivni tokovi tokovnikov so zelo različni – nazivni, sekundarni tok pa je vedno 5 A. Pri daljših sekundarnih tokokrogih je sekundarni tok izjemoma tudi 1A. 3. 12. 3. Napetostni merilni transformator - napetostnik Tudi to vrsto transformatorja smo že spoznali s stališča uporabe, sedaj pa si poglejmo njegove električne karakteristike. Kot že vemo, tudi njih uporabljamo za merjenje zelo visokih napetosti in za zaščito. Pri obratovanju je za razliko od tokovnika napetostnik vedno v praznem teku, saj je na izhodu priključen voltmeter, ki pa ima praktično neskončno upornost.

Slika 87: Vezava tokovnega merilnega transformatorja

31

U

V

u v

U V

Primarne napetosti so lahko zelo različne (do 750 kV), sekundarna nazivna napetost, na katero priključimo voltmeter pa je pri vseh napetostnikih enaka in znaša 100 V. V trifaznem sistemu lahko z napetostniki merimo medfazne ali fazne napetosti. Delovanje napetostnikov in sama gradnja je popolnoma enaka, kot energetski, le da so za bistveno manjše moči. 3. 12. 4. Regulacijski transformator

I 1

U1N1 U2

I2

N2Z

Regulator

Slika 89: Vezava regulacijskega transformatorja

V odvisnosti od obremenitve bo napetost na sekundarni strani transformatorja nihala. Večja obremenitev pomeni nižjo napetost in obratno: manjša obremenitev pomeni višjo napetost. Na porabnikih želimo imeti konstantno napetost. To zagotovimo z regulacijo napetosti, ki jo izvedemo na visokonapetostni strani, saj imamo tam opravka z manjšimi tokovi in možnostjo finejše regulacije (večje število ovojev). Običajne izvedbe odcepov za regulacijo so: ± 2,5 %, ± 5 %, ± 7,5 %, ± 10 %, in pri novejših izvedbah tudi ± 20 % nazivne napetosti). Regulacijski transformator omogoča preklop izbirnega stikala z enega odcepa na drugega med obratovanjem tako, da noben del navitja ni v kratkem stiku. Preklopi se vršijo z vključitvijo upora ali dušilke v kratkosklenjeni del navitja. Za regulacijo skrbi elektronsko vezje, ki primerja želeno napetost omrežja z dejansko napetostjo. Zato z regulacijo ves čas zajemamo signal velikosti izhodne napetosti in jo primerjamo z njeno referenčno vrednostjo. Preklopi stikala in vključevanje uporov v kratkosklenjeni del navitja potekajo samodejno.

Slika 88: Vezava napetostnega merilnega transformatorja

U1 > U2 I1 < I2

32

3. 12. 5. Varilni transformator

δU1 N1 N2

U2

12Φ

1Φ

Slika 89: Vezava varilnega transformatorja

Varilni transformator uporabljamo za elektro obločno varjenje. Med varjenjem je sekundarno navitje kratko sklenjeno, zato mora biti navitje v sekundarnem navitju dimenzionirano na kratkostični tok. Regulacijo sekundarnega kratkostičnega toka vršimo preko spreminjanja debeline zračne reže δ. Večja kot je zračna reža, večji je delež fluksa Φ12, ki se sklepa skozi sekundarno navitje, večja je indukcija in večji je kratkostični tok. Velja seveda tudi obratno, da zmanjševanje kratkostičnega toka dosežemo z zmanjševanjem dolžine zračne reže. Varilni transformatorji se nameščajo v ohišja, ki morajo biti dobro ozemljena. Gradijo se kot suhi transformatorji. Gradijo se v enofaznih in trifaznih izvedbah. Napetost praznega teka varilnega transformatorja se giblje od 70 do 80 V, pri varjenju pa pade na 25 V do 30 V (to je napetost el. loka). Tok na sekundarni strani, ki vzdržuje el. lok, se giblje v mejah od 50 A do 700 A. 3. 12. 6. Zaščitni transformator Zaščitni transformator se uporablja kot ukrep pred nevarno napetostjo dotika in ima nalogo, da ločuje porabnik od izvora. Tak transformator uporabljamo za napajanje enega samega porabnika (kopalnice – brivniki, kleti – prenosne svetilke in drugi vlažni prostori). Porabnik je na zaščitni transformator priključen brez zaščitnega kontakta, ki je nameščen v okrovu zaščitnega transformatorja. Okrov zaščitnega transformatorja je iz termoplastične mase. Prestavno razmerje zaščitnega transformatorja je ena.