Základní veličiny jednofázových transformátorů

Tato lekce se zabývá základními veličinami u jednofázových transformátorů.

Transformátor je netočivý stroj, který pomocí elektromagnetické indukce mění velikost vstupního střídavého napětí U₁ na jedné straně transformátoru na výstupní napětí U₂ o jiné hodnotě na druhé straně transformátoru. Frekvence se tím nemění.

Štítek transformátoru - má každý transformátor na viditelném místě. Výkonové transformátory mají na štítku tyto údaje:

• označení výrobce
• typ transformátoru, výrobní číslo a rok výroby
• počet fází a jejich zapojení
• jmenovitý zdánlivý výkon
• jmenovité vstupní a výstupní napětí
• jmenovitý vstupní a výstupní proud
• napětí nakrátko
• jmenovitou frekvenci
• druh chlazení a chladiva
• krytí transformátoru a třídy izolací
• hmotnost chladiva a celkovou hmotnost

Štítkové údaje je možno podle potřeby doplňovat v souladu s příslušnými normami.

Účinnost transformátoru

Účinnost transformátoru je poměr odevzdaného výkonu P₂ a přijatého výkonu P_1. Může se vyjádřit i pomocí ztrát ΔP a to vztahem

kde P₂ je výkon v sekundárním vinutí a ΔP jsou ztráty. Transformátor je konstruován tak, aby maximální účinnost byla dosažena při nejvíce používaném zatížení v pásmu (0,5 až 0,8) P_2n. Jmenovitá hodnota účinnosti η_n je o něco menší než η_max a dosahuje u velkých transformátorů 98-99 %, u transformátorů malého výkonu je však podstatně nižší, asi 70÷80 %.

Na rozdíl od motorů a řady dalších spotřebičů elektrické energie se transformátory navrhují podle zdánlivého a ne podle činného výkonu. Proto základní štítkovou hodnotou je jmenovitý zdánlivý výkon

S_1n = √3 · U_1n · I_1n ,

kde S_1n je zdánlivý výkon [VA], U_1n je jmenovité napětí [V] a I_1n je jmenovité napětí na primární vedení,

podle kterého se určují rozměry transformátoru.

Při transformaci elektrické energie vznikají v transformátoru ztráty ΔP_z konstantní a proměnné, závisející na zatížení.

Konstantní ztráty v magnetickém obvodu jsou určeny velikostí magnetické indukce B a frekvence f₁ a prakticky nezávisí na zatížení, pokud transformátor pracuje při stálém primárním napětí a frekvenci. Velikost konstantních ztrát se měří při chodu naprázdno.

Proměnné ztráty v primárním a sekundárním vinutí při jmenovitém zatížení (I₁ = I_1n) jsou rovny činnému výkonu při chodu nakrátko.

Převod transformátoru

Převod transformátoru vyjadřujeme poměrem vstupního napětí a výstupního napětí. Budeme uvažovat, že ztráty v transformátoru jsou nulové, pak výkon na vstupní straně je stejný jako výkon na výstupní straně:

kde p je převod, U₁ primární napětí a U₂ sekundární napětí.

Dále

kde N₁, N₂ jsou počty závitů na primárním a sekundárním vinutí.

Pak

tedy proudy jsou v převráceném poměru k napětí a k počtu závitů. Převod transformátoru se udává poměrem napětí při chodu naprázdno. Jen u transformátorů do 5 kVA se udává poměr napětí při jmenovitém zatížení.

Napětí naprázdno

Připojíme-li vstupní vinutí na střídavé napětí U₁ a na výstupní vinutí nepřipojíme žádnou zátěž (spotřebiče), říkáme, že transformátor pracuje naprázdno. Napětí, které přitom naměříme na výstupním vinutí, bude rovno napětí naprázdno.

Procentní napětí nakrátko

kde U_1k je primární napětí při chodu nakrátko a U_1n jmenovité napětí.

Malé u_k zajišťuje, že se výstupní napětí transformátoru nebude se zatížením příliš měnit, značný ale bude zkratový proud. Zkratově odolnější jsou transformátory s velkou hodnotou u_k, např. 14 %.

Napětí nakrátko je napětí, které musíme připojit na vstupní vinutí transformátoru, aby výstupním vinutím spojeným nakrátko procházel jmenovitý proud transformátoru. V praxi se tato hodnota vyjadřuje v procentech vstupního jmenovitého napětí a značí se u_k. Pokud opět zanedbáme ztráty transformátoru a zvýšíme napětí připojené na vstupní vinutí transformátorů z hodnoty napětí nakrátko na plnou jmenovitou hodnotu, zvýší se ve stejném poměru i výstupní proud. Hodnota, kterou takto získáme, odpovídá hodnotě, které by při provozu dosáhl proud ve výstupním vinutí, pokud bychom jej spojili nakrátko.