Transformatori

- 1 -

UVOD

Električne mašine su uređaji koji služe za pretvaranje energije jednog oblika u drugi oblik, a rade na principu elektromagnetske indukcije.Električni strojevi se mogu razvrstati u tri skupine:

Generatori, gdje je privedena energija mehanička, a dobivena je električna.

Motori , gdje je privedena energija električna, a dobivena je mehanička.

Transformatori i pretvarači, gdje je privedena energija električna i dobivena je električna energija.

Zajedničke karakteristike svih električnih strojeva je pretvaranje energije u oba smjera, što znači da generatori mogu raditi kao motori i motori mogu raditi kao generatori. Ekonomičnost mašina izražava se koeficijentom iskoristivosti koji se naziva korisnost, a definiše se kao :

dobivena energija

h = ----------------------------

privedena energija

Kod električnih mašina postiže se korisnost vrlo povoljno u odnosu na druge strojeve i to do iznosa i do 99,5 %. Gubici energije koji se pretvaraju u strojevima u toplinu prouzrokuju gubitke i to :

Gubitak u omskom otporu vodića, prolaskom struje stvara se toplina.

Gubitak u željezu, zbog izmjeničnog magnetiziranja imamo gubitke histereze i gubitke vrtložnih struja.

Gubitak u izolaciji , to su dielektrički gubici .

Mehanički gubici , koji nastaju kod rotacionih mašina zbog trenja i ventilacije.

Gubici energije uzrokovani su time što materijal koji se primjenjuje za izradu strojeva nije idealan, nego uvijek pokazuje izvjesne otpore koji nam prouzrokuju gubitke.

Transformatori

- 2 -

TRANSFORMATORI

IDEALNI TRANSFORMATOR

Glavni dijelovi transformatora su željezna jezgra, niskonaponski i visokonaponski namot, koji se nazivaju primarni i sekundarni namot koji služe za transformaciju električne energije. Idealni transformator je transformator gdje predpostavljamo da su gubici u željezu i bakru zanemarivi, da je željezo idealni vodić magnetskog toka i da je bakar idealni vodić električne struje, prikazano slikom 1 :

Slika 1 Jednofazni idealni transformator

Priključimo primarni svitak sa N1 zavoja na napon izvora U1, proteći će kroz primarni namot struja I1, koja će stvoriti u željeznoj jezgri magnetski promjenljiv tok F. Sinusna promjena magnetskog toka inducirat ce EMS E1 i E2 u primarnom N1 i sekundarnom N2 namotu, gdje ce E2 protjerat kroz potrošač struju I2. Kod idealnog transformatora inducirani napon stezaljki primara i sekundara može se prikazati :

E1 = 4,44 * F * f * N1 [ V ]

E2 = 4,44 * F * f * N2 [ V ]

Podjelimo gornju jednadžbu sa donjom dobijemo :

E1 : E2 = N1 : N2

Inducirani naponi stezaljki jednaki su induciranim naponima :

U1 : U2 = N1 : N2

Gornja jednadžba naziva se I glavna jednadžba transformatora, koja kaže da se naponi stezaljki primara i sekundara odnose kao njihovi brojevi zavoja. Ako idealni transformator nema gubitaka, snagu koju daje trošilu jednaka je snazi koju transformator uzima iz mreže :

P1 = P2

U1 * I1 = U2 * I2

ili u drugom obliku :

Transformatori

- 3 -

I1 : I2 = U2 : U1

Ova jednadžba naziva se II glavna jednadžba transformatora, koja kaže da se struje primara i sekundara odnose obrnuto proporcionalno sa njihovim brojevima zavoja. Transformator radi u oba smjera transformiranja energije i primarom nazivamo namot koji priključujemo na izvor energije, a sekundarom nazivamo namot kojeg priključujemo na potrošač. Radi toga se često primarna strana zove ulazna strana, a sekundarna strana izlazna strana. Namot transformatora također određujemo prema veličini napona, tako da namot predviđen za viši napon nazivamo gornji naponski namot, a namot predviđen za niži napon nazivamo donji naponski namot. Iz I i II glavne jednadžbe transformatora vidimo, da će gornji naponski namot biti onaj koji ima više zavoja, kroz koje teče slabija struja, a donji naponski namot bit će onaj koji ima malo zavoja, kroz koje teče jaka struja. Može se zaključiti da gornji naponski namot ima puno zavoja tankog vodića, a donji naponski namot ima malo zavoja debelog vodića

PRAZNI HOD IDEALNOG TRANSFORMATORA

Transformator radi u praznom hodu, kada je njegov primarni namot priključen na nominalni napon, a sekundarni namot je otvoren, te kroz sekundar ne teče struja ( I2 = 0 ) , kao na slici 2 :

Slika 2

Prazni hod idealnog transformatora

Slika 3

Vektorski dijagram idealnog transformatora u praznom hodu

Transformatori

- 4 -

Kroz zatvoreni strujni krug primarni napon U1 protjerat će čistu induktivnu struju I1 koja zaostaje za naponom za 900, a naziva se struja magnetiziranja. Struja magnetiziranja stvorit će promjenljiv magnetski tok F koji je u fazi sa strujom magnetiziranja. Promjenljiv magnetski tok F inducira u primarnom krugu protunapon E1, a u sekundarnom namotu EMS E2. Napon E1 suprotan je naponu izvora U1, kao prema vektorskom dijagramu na slici 3. Promjenljiv magnetski tok F inducirat će u sekundarnom namotu N2 sekundarni napon E2 , a budući da je stvorena od istog magnetskog toka kao i primarna EMS E1, to su inducirani naponi E1 i E2 međusobno u fazi i proporcionalni su njihovim brojevima zavoja.

OPTEREĆENJE IDEALNOG TRANSFORMATORA

Kod opterećenja idealnog transformatora na sekundaru priključili smo trošilo i pod djelovanjem napona E2 proteći će kroz potrošač struja I2, čija je veličina i fazni pomak određen otporom RP i jalovim otporom potrošača XP :

Opterećenje idealnog transformatora prikazano je slikom 4, trokut otpora slikom 5 i pipadajući vektorski dijagram slikom 6

:

Slika 4

Opterećeni idealni transformator

Slika 5

Trokut otpora

Transformatori

- 5 -

Slika 6

Vektorski dijagram opterećenja idealnog transformatora Fazni pomak između vektora sekundarne struje i napona određen je :

RP

cosϕ2 =-----

Z

Prema II jednadžbi transformatora možemo izračunati primarnu struju :

I2 * N2

I1 =--------------

N1

REALNI TRANSFORMATOR

Realni transformator je transformator kod kojega moramo uzeti u obzir stvarne karakteristike materijala od kojih je transformator sastavljen. Namot transformatora obično je od bakra i nije idealan vodić nego posjeduje omski otpor. željezna jezgra je od dinamo limova i pojavljuju se gubici u željezu PFe koji se sastoje od gubitaka petlje histereze PH i gubitaka vrtložnih struja PV. Na slici 7 prikazan je jednofazni realni transformator.

Slika 7

Jednofazni realni transformator

Transformatori

- 6 -

Na slici 7 prikazan je transformator sa omskim otporima R1 u primarnom namotu i R2 u sekundarnom namotu. U namotima se javljaju omski padovi napona ER1 i ER2 koji su u fazi s pripadajućim strujama I1 i I2 : ER1 = I1 * R1 ER2 = I2 * R2 Gubici u bakru transformatora u primaru i sekundaru određuju se : PCu = PCu1 + PCu2 = I12 * R1 + I22 * R2 Gubici u željezu određuju se : PFe = PH + PV Vektorski dijagram primara opterećenog realnog transformatora prikazan je slikom 8 :

Slika 8

Vektorski dijagram primara opterećenog realnog transformatora Pojedine veličine u dijagramu znače : F glavni magnetski tok ϕϕϕϕ1 fazni pomak primarnog napona i struje I1 primarna struja E1 EMS primara ER1 omski pad napona primara EX1 induktivni pad napona primara U1 napon izvora

Transformatori

- 7 -

POKUS PRAZNOG HODA

Jednofazni transformator je u praznom hodu kada je primarni namot priključen na nominalni napon, a sekundarne stezaljke su neopterečene, prikazano slikom 9 :

Slika 9

Pokus praznog hoda

Voltmetri na primarnoj i sekundarnoj strani mjere nominalne napone primara i sekundara pomoću kojih dobijemo prenosni odnos transformatora :

U1N : U2N = N1 : N2

Ampermetar mjeri struju praznog hoda I0, a vatmetar mjeri snagu praznog hoda P0 koju transformator uzima iz mreže. Izmjerena snaga P0 predstavlja ukupne gubitke praznog hoda i ako zanemarimo gubitke u bakru, koji su relativno mali, ti gubici praznog hoda približno su jednaki gubicima u željezu transformatora PFe :

P0 = PFe

POKUS KRATKOG SPOJA

Jednofazni transformator je u kratkom spoju kada su mu sekundarne stezaljke kratko spojene, a primarnom se namotu napon postepeno povečava od nule, dok struja kroz ampermeter ne postigne nominalnu vrijednost.. Dovedeni napon transformatru znatno je manji od nominalnog napona. Šema pokusa kratkog spoja prikazana je slikom 10 :

Slika 10

Pokus kratkog spoja

Transformatori

- 8 -

Voltmetar mjeri na primarnoj strani napon kratkog spoja U1K i definiran je kao napon kod kojega će kroz kratko spojeni namot teči nominalna struja. Ampermetar mjeri struju kratkog spoja IK koja je jednaka nominalnoj struji transformatora I1N . Vatmeter mjeri snagu kratkog spoja PK koju motor uzima iz mreže za vrijeme pokusa, a ako zanemarimo gubitke u željezu koji su relativno mali, snaga PK pretstavljat će približno gubitke u bakru transformatora :

PK = PCu

Zaključak mjerenja pokusa praznog hoda i mjerenja pokusa kratkog spoja bio bi da se navedenim pokusima mjere glavne karakteristike transformatora.

TROFAZNI TRANSFORMATORI

Trofazni transformator možemo prikazati kao tri jednofazna transformatora kojem je jedinstvena željezna jezgra sa tri stuba za svaku fazu kao prema slici 11 :

Slika 11

Trofazni transformator

SPOJEVI NAMOTA TROFAZNIH TRANSFORMATORA

Trofazni namoti mogu se spajati na dva osnovna načina i to u spoju zvijezda i u spoju trokut.. Simbol za spoj u zvijezdu je slovo Y, a simbol za spoj u trokut je slovo D. Zvijezda spoj trofaznog namota je takav spoj gdje su tri kraja faznih namota međusobno povezana u nul tačku, a počeci namota služe za priključak trofaznog voda kao na slici 12 gdje je i prikazan pripadajući vektorski dijagram :

Transformatori

- 9 -

Slika 12

Trofazni namot u zvijezda spoju i vektorski dijagram napona

Kod spoja u zvijezdu struja u vodu jednaka je faznoj struji, a linijski ili medufazni napon jednak je vektorskoj razlici dvaju faznih napona :

IL = If

UL = Ă3 * Uf

Trokut spoj trofaznog namota je takav spoj gdje su sva tri namota vezana u serijski spoj kao na slici 13, gdje je i prikazan pripadajući vektorski dijagram :

Slika 13

Trofazni namot u trokut spoju i vektorski dijagram napona

Kod spoja u trokut linijski napon jednak je faznom, a linijska struja jednaka je vektorskoj razlici struja dviju faza :

UL = Uf

IL = Ă 3 * If

Transformatori

- 10 -

Oznake početka namota na visokonaponskoj strani su valika početna slova, dok su oznake na niskonaponskoj strani ista mala slova. Osim naprijed navedena dva osnovna spoja trofaznih namota, postoje i drugi spojevi koje nečemo ovdje obrađivati.

SIMETRI ČNO I NESIMETRI ČNO OPTEREĆENJE

Kod simetričnog optarećenja svaka je faza trofaznog transformatora opterećena jednakim otporom Z, a to znači da su naponi, struje i fazni pomaci jednaki u sve tri faze, a kod nesimetričnog opterećenja struje i fazni pomaci su različiti, kao na slici 14 i 15 :

Slika 14

Simetrično opterećenje

Slika 15

Nesimetrično opterećenje

Transformatori

- 11 -

KVAROVI NA TRANSFORMATORU

Kvarovi u samom transformatoru prikazani su na slici 16, a mogu biti :

1. proboj namota prema masi transformatora

2. proboj između primarnog i sekundarnog namota

3. proboj između dviju faza

4. spoj među zavojima iste faze

5. kratkospojeni krug u jezgri

Slika 16

Kvarovi na transformatoru

ZAŠTITA TRANSFORMATORA

Od kvarova štitimo transformatore Buholcovim relejem i diferencijalnom zaštitom. Buholcov relej nastupa kod težih kvarova transformatora, kada dolazi do jakog zagrijavanja, te naglog strujanja ulja iz transformatora kroz relej i time ispadanje transformatora iz mreže. Diferencijalna zaštita predviđa se uz Buholcov relej, a zasniva se na djelovanju razlike struja

Transformatori

- 12 -

iste faze na primarnoj i sekundarnoj strani preko mjernih transformatora, koji kod nesimetrija struja djeluju na relej koji isklapa transformator.

AUTOTRANSFORMATOR

Autotransformator je specijalna vrsta transformatora gdje imamo samo jedan namot namotan na željeznu jezgru. Pomoću autotransformatora možemo povećavati i smanjivati napon, a prikazan je na slici 17 :

Slika 17

Autotransformator

Autotransformator se naziva i transformator u štednom spoju jer je potrebno manje željeza i bakra za izradu nego od onih koji imaju primar i sekundar. Međutim, autotransformator ima i manu a to je galvanska veza između primarne i sekundarne strane, pa nam to ogrničava područje upotrebe.

TRANSFORMATOR ZA ZAVARIVANJE

Transformator za elektrolučno zavarivanje je specijalna vrsta transformatora, zato jer radi kao transformator u kratkom spoju. Ovaj transformator radi na principu stvaranja velikih temperatura zavarivanja, koju stvara vrlo jaka struja niskog napona. Šema transformatora za elektrolučno zavarivanje prikazana je slikom 18 :

Slika 18

Transformator za zavarivanje

Kod elektrolučnog zavarivanja kao potrošač javlja se električni luk u kojem se privedena električna energija pretvara u toplinu, a toplina lokalno tali metal radi spajanja. Na transformator se postavlja nekoliko zahtjeva. Izvor električne energije mora davati električnom luku veliku struju da bi se stvorila količina topline u luku. Također napon

Transformatori

- 13 -

zavarivanja, napon električnog luka, mora biti dovoljno nizak da bude bezopasan za zavarivača. Na slici 18 prikazane su oznake :

I2 , IL struja električnog luka

U2 napon sekundara

UL napon električnog luka

M masa metala

MJERNI TRANSFORMATORI

Naponski mjerni transformatori služe za mjerenje visokih napona, priključuju se paralelno, a sekundarni namot izvodi se za napon 100 V, kao na slici 19. Strujni mjerni transformatori služe za mjerenje velikih struja, priključuju se serijski, a sekundarni namot izvodi se sa struju 5 A, kao na slici 20. Djelovanje mjernih transformatora zasniva se na I i II glavnoj jednadžbi transformatora te mora biti što tačniji prenosni odnos N1 : N2, da bi mjerenja bila što tacnija.

Slika 19 Naponski mjerni transformator Slika 20 Strujni mjerni transformator

Transformatori

- 14 -

PARALELNI RAD TRANSFORMATORA

Slika 21 Spoj paralelnog rada dvaju trofaznih transformatora

Dva transformatora rade paralelno s obzirom na promjenljivost opterećenja nekog konzumnog područja tokom dana, tako da je jedan stalno u pogonu, a drugi transformator se ukopča kod večeg opterećenja. Drugi transformator je dimenzionisan samo za razliku maksimalne snage i snage prvog transformatora. Ako bi se upotrebljavao samo jedan transformator, onda bi morao biti dimenzionisan za maksimalno opterećenje, pa bi veliki dio vremena transformator radio gotovo neopterećen. Zato se upotrebljavaju dva spojena transformatora, od kojih je jedan stalno u pogonu i dimenzioniran je za vremenski duža opterećenja, dok se drugi ukopča samo kod večeg opterećenja za vremenski kraća opterećenja. Na slici 21 prikazana su dva transformatora, koji da bi radili paralelno moraju ispunjavati slijedeće uvjete : 1. transformatori moraju biti građeni za iste ili približno iste nominalne napone, ali prenosni odnosi napona moraju biti jednaki. Nijedan dio prenosnog odnosa transformatora izaziva struje izjednačenja, što može imati štetne poslijedice. 2. fazni pomak vektora primarnih i istoimenih vektora sekundarnih napona mora biti isti.

Transformatori

- 15 -

3. naponi kratkog spoja UK moraju biti jednaki, odnosno ne smiju se razlikovati za više od 10 %.