4.1. Transzformátorok

Átírás

1 Q C A C d ahol A a flültk nagyságát, d a távolságát jlnti. Elktrotchnika jgyzt Amnnyibn a kondnzátorokat párhuzamosan kapcsoljuk, akkor zk rdjét az alábbi módon határozhatjuk mg: oros kapcsolás stén az rd: n C p C i i n Cs i 4. Villamos gépk A villamos gépk mint mindn más gép is nrgiát alakítanak át, zért szokás ngiaátalakító brndzéskrl bszélni. A transzformátorok villamos nrgiából villamos nrgiát képznk, a forgó villamos gépk többnyir mchanikai nrgiát alakítanak át villamos nrgiává vagy fordítva. C i 4.. Transzformátorok A transzformátorokat a mszaki élt lgkülönbözbb trültin használják. Alkalmazásukkal a villamos nrgia jllmzit (fszültségét, áramrsségét, néha fázisszámát) változtatják mg. Azokat a transzformátorokat, amlyk a villamos nrgia átvitlébn vsznk részt, gyjtnévn rátvitli transzformátoroknak nvzzük. 80. ábra Trmésztsn a mszaki élt gyéb trültin is használnak transzformátorokat, pl. lktronika, távközléstchnika, biztonságtchnika, stb. Az alkalmazás célja nagyon változó: fszültség, áram vagy impdancia átalakítása lht a cél

2 Elktrotchnika jgyzt 4... Egyfázisú transzformátorok A transzformátorok mködését az gyfázisú transzformátorok stén vizsgáljuk. A transzformátorok mködési lv a Faraday fél indukción alapszik, azaz: d u i N dt A transzformátorok lgfontosabb szrkzti lm a vasmag és az zn lhlyztt gy vagy több tkrcs. A transzformátor vasmagját általában lmzltn készítik, hogy csökkntsék az örvényáramú vsztségt (vasvsztség = örvényáramú + hisztrézis vsztség). A vasmag kialakítása szrint létzik mag láncszm köpny típusú transzformátor. 8. ábra A fnti ábrában 0 az ún. ffluxus, és a primr és szkundr tkrcsn valamint a lvgn krsztül záródó ún. primr és szkundr szórt fluxus. Az nrgiaáramlás szmpontjából nézv primr tkrcsnk nvzzük azt az oldalt, ahova az nrgiát btápláljuk. zkundr tkrcs az, ahonnan az nrgiát lvztjük a fogyasztó/trhlés (Z t ) táplálása érdkébn. Határozzuk mg a transzformátor tkrcsibn indukálódó fszültségt: 0 0 max sint Az indukciótörvényt flhasználva: d 0 ui N N 0max cost dt d 0 ui N N 0max cost dt Az indukált fszültség maximuma: u i max fn 0 max u i fn 0 max 4, 44 fn 0 max Azaz az indukált fszültség a tkrcskbn: u i 4, 44 fn 0 max u i 4, 44 fn 0max A mntszámáttétl nm más, mint a mntszámok aránya: N a N Az indukált fszültségk aránya mggyzik a mntszámáttétlll. Ezt hívjuk fszültségáttétlnk: i N au a i N Ezt az áttétlt ürsjárásban mérv:

3 Az áramáttétl a fszültségáttétl rciproka: Az impdanciaáttétl: i ai Z Z a i i u i 0 i i 0 a u a a Elktrotchnika jgyzt 4... Egyfázisú transzformátor szrkzt Az alábbi ábra a hagyományos, két tkrcss transzformátorok kialakítását mutatja, külön oszlopon hlyzkdik l a primr és a szkundr tkrcs. 8. ábra 4... Hlyttsít kapcsolási vázlat Az alábbi ábra mutatja a transzformátorok villamos hlyttsít kapcsolási képét. Ez gy mkapcsolás, amlyhz a transzformátor ténylgs fizikai folyamataitól való lvonatkoztatással jutunk. A hlyttsít kapcsolási vázlat llnállások és raktanciák kombinációja, amly bizonyos lhanyagolásokkal úgy vislkdik, mint az rátvitli transzformátor állandósult állapotban. 83. ábra A hlyttsít kapcsolásban szrpl lmk jlntés:, : primr illtv szkundr tkrcs ohmikus llnállása X, X : primr illtv szkundr oldali szórási raktancia 0 : vasvsztségt szimbolizáló llnállás X 0 : a ffluxust szimbolizáló raktancia - 5 -

4 Elktrotchnika jgyzt Z t : trhl impdancia A vssz ( ) jlntés: szkundr oldali mnnyiségk átszámítása/rdukálása a primr oldalra az áttétl (a) figylmb vétlévl (pl. = a ) A hlyttsít képbn szrpl mnnyiségk gymáshoz viszonyított aránya a kövtkz: : : X : X : X 0 : 0 = : : : : 000 : 0000 Vizsgáljuk mg a transzformátorok mködését különböz üzmállapotban: ürsjárásban, névlgs trhlésnél és rövidzár stén Ürsjárás Ürsjárás stén a transzformátor szkundr kapcsaira nm kapcsolunk trhlést, így a szkundr tkrcsbn nm folyik áram. Az gyszrsíttt hlyttsít kép a 85. ábrán, az üzmállapotra jllmz vktorábra a 84. ábrán látható. 84. ábra 85. ábra Ürsjárás stén: cos ~ 0, 0 ahol: : primr kapocsfszültség v : ürsjárási áram wattos komponns m : ürsjárási áram mdd komponns 0 : ürsjárási primr áram 0 : ürsjárási fázisszög (cos 0 ürsjárási tljsítmény tényz érték:~ 0, ) : primr tkrcs llnállásán s fszültség : primr tkrcs raktanciáján s fszültség : ffluxus által indukált fszültség A ffluxus által indukált fszültségt úgy kapjuk mg, hogy az primr kapocsfszültségbl lvonjuk az ürsjárási áram által a primr tkrcs llnállásán és szórási raktanciáján okozott fszültségkt. Az ohmos fszültség fázisban van az ürsjárási árammal, a szórt fluxus által indukált fszültség pdig ngyd priódussal sit (induktív fszültség)

5 Elktrotchnika jgyzt Trhlés Trhléskor a szkundr kapcsokra fogyasztókat kapcsolunk. A fogyasztókon és a szkundr tkrcsn krsztül mgindul az szkundr áram, illtv a hlyttsít kapcsolási vázlat rdukált szkundr tkrcsén krsztül az rdukált szkundr áram. Nagyságát és fázisát a fogyasztók szabják mg. A fogyasztók általában wattos és mdd tljsítményt is fogyasztanak. Ezért, illtv általában késik a szkundr kapocsfszültség mögött. Az üzmállapotra jllmz gynltk: 0 A trhlt transzformátor primr árama nagyobb, mint az 0 ürsjárási primr áram és más a fázisa. Ezért mgváltoztak a primr áram által a primr tkrcs llnállásán és szórási raktanciáján okozott fszültségsésk is: j Ezért változatlan primr kapocsfszültség stén kis mértékbn mgváltozik is. X j övidbbn jlölv: A rdukált szkundr kapocsfszültség: X j övidbbn jlölv: Névlgs trhlés stén az érvénys vktorábra a fntik alapján az alábbi ábrán látható: 86. ábra

6 Elktrotchnika jgyzt övidzárás A rövidzárási állapot az ürsjárásival llntéts széls trhlési állapot. A szkundr kapcsokat rövidr zárjuk, d z az állapot nm üzmszr állapot! Hosszú idig nm tartható fnt, mrt a tkrcskbn folyó áramok rsség 0-5-szor nagyobb, mint névlgs trhlés stén. Ez az állapot a transzformátor tönkrmntlét okozhatja zért különböz védlmkt (pl. mgszakítók, olvadó biztosítók) kll bépítni. A lkapcsolásnak olyan rövid id alatt kll mgtörténni, hogy a tkrcsk n égjnk l a rövid lkapcsolási id alatt (nincs idjük flmlgdni). A primr, illtv szkundr árammal arányosan mgnnk azonban a szórt fluxusok. A szórt fluxusok nagy mchanikai rt fjtnk ki a tkrcskr a rövidzárási állapotban, zért a mchanikai mértzésnél z figylmb kll vnni. Az üzmállapotban érvénys hlyttsít kép az alábbi ábrán látható: ábra övidzárás stén az alábbi összfüggésk érvénysk: jx jx rz n A fntik alapján a rövidzárában érvénys vktorábra: 88. ábra Drop (százalékos rövidzárási fszültség) A transzformátor szkundr kapcsait rövidr zárva, azt a primr fszültségt, amlynél a primr tkrcsbn a névlgs primr áram ( n ) folyik, rövidzárási fszültségnk nvzzük: z = n Z z,

7 Elktrotchnika jgyzt trmésztsn ilynkor a szkundr tkrcsbn is a névlgs szkundr áram ( n )folyik. A rövidzárási fszültségnk a névlgs primr fszültséghz viszonyított érték a drop, vagy százalékos rövidzárási fszültség: rz n 00% 00% n rz A drop kiszámításával a transzformátor maximális trhlési értékét lht mghatározni. A drop thát a rövidzárási fszültségnk a névlgs primr fszültséghz viszonyított érték százalékos értékbn kifjzv. A rövidzárási mérés a rövidzárási fszültség és a tkrcs vsztség mghatározására szolgál. Amnnyibn gy transzformátor trhlését növlni kívánjuk, akkor figylmb kll vnni a dropot, mrt a kis drop érték transzformátor túltrhldik, mlgszik és tönkrmgy. Ezért általában a transzformátorokat úgy mértzik, hogy még maximális trhlés stén is lgyn 0-0% -os tartaléka Háromfázisú transzformátorok Erátvitli transzformátorokat tkintv a háromfázisú transzformátoroknak nagyobb a jlntség, mint az gyfázisúaknak, mivl a villamos nrgia trmlés, losztása és flhasználása a gazdasági lnyök miatt túlnyomórészt háromfázisú rndszrrl történik. Az alábbi ábrákon különböz lrndzés és kapcsolású transzformátorok láthatók. 89. ábra Y / Y 90. ábra /

8 Elktrotchnika jgyzt 4... Csillag-csillag kapcsolású transzformátor A primr oldalon nincs 0 vzt (szabványos nagyfszültség rndszrk). A kigynlít áram a fázistkrcskn krsztül tud folyni oly módon, hogy mindgyik ürsjárási áramhoz hozzáadódik a kigynlít áram gy-gy harmada. A primr fázis tkrcsbn a szükségs grjszt áramon kívül még a kigynlít áram gy-gy harmada is folyik, mlyk mindn fázistkrcsbn azonos fázisúak. Ezk az áramok a szabályos (szimmtrikus) háromfázisú fluxuson flül mindn oszlopban azonos fázisú fluxust grjsztnk. A fluxusok azonos fázisa azt jlnti, hogy irányuk mindhárom oszlopban flflé, majd gy fél priódus id múlva lflé mutat Háromszög kapcsolású transzformátorok A háromoszlopos transzformátorok vasmagjában fllép azonos fluxusok fszültségt indukálnak az gys fázistkrcskbn. Ezk a fszültségk azonos fázisúak, akárcsak az kt indukáló fluxusok, zért szuprponálódnak (mgváltoztatják a fázis fszültségkt, fázisát, jllggörb alakját). Ezért a járom fluxusok hatásának kiküszöbölésér a járommntk alkalmasak. Alkalmazásukkal az oszlopokban folyó f fluxusok összg mindn pillanatban zérus. Hatásukra a járommntkbn olyan áram kring, amlyknk grjsztés az indukáló fluxusok lln hat. Ezért az azonos fázisú fluxusok lhanyagolhatóan kicsinyk lsznk. A háromszög kapcsolású tkrcslés önmagában úgy záródik, hogy mindhárom oszlopot azonos mntszámmal és értlmbn járja körül. Hatása zért olyan, mint a járommntké. Az gyfázisú (azonos fázisú zérus sorrnd) fluxusok lhanyagolhatóan kicsinyk, ha a transzformátor bármlyik tkrcslés háromszög kapcsolású. A háromszög kapcsolású tkrcslésn blül kring az az áram, amlynk grjsztés az azonos fázisú fluxusokat lrontja Transzformátorok párhuzamos üzm Ha adott tljsítmény átvitlér gy transzformátor nm lgnd, akkor több transzformátort kapcsolunk párhuzamosan. Ez azt jlnti, hogy a transzformátorok a tljsítményt közös primr hálózatról vszik fl és közös szkundr fogyasztórndszrr adják l. 9. ábra: Párhuzamosan kapcsolt gyfázisú transzformátorok A párhuzamos kapcsolást illtv a párhuzamos üzmt az alábbi fltétlk gyidj tljsülés stén tkinthtjük kifogástalannak: Párhuzamos üzmhz az alábbiaknak kll tljsülni:. Nincs kigynlít áram a párhuzamosan kapcsolt transzformátorok között,. Trhlés a transzformátorok között névlgs tljsítményik arányában oszlik mg. Ezk a fltétlk akkor tljsülnk ha:. Primr és szkundr fszültségk mggyznk, azonos az áttétl (a = a ). Fázis fszültségk azonos fázisúak (kapcsolási csoport azonos)

9 Elktrotchnika jgyzt 3. A transzformátorok százalékos rövidzárási fszültségi gynlk (azonos drop) = Párhuzamosan kapcsolt transzformátorok trhlésloszlása különböz drop stén Ha a párhuzamosan kapcsolt transzformátorok rövidzárási fszültségi nm gynlk, akkor a trhlésmgoszlás gynltln. A nagyobb rövidzárási fszültség transzformátor még nincs kihasználva, ltrhlv, amikor a másik már névlgs áramával van trhlv. A trhlés tovább már nm növlht, mrt a kis -ú transzformátor túltrhldik. A nagy rövidzárási fszültség transzformátor árama az ábrából a hasonló háromszögk sgítségévl számítható. Párhuzamos üzmbn csak olyan gységk alkalmazhatók, amlyknk rövidzárási fszültségi +/- 0% tolrancián blül gynlk. x 9. ábra n Különlgs transzformátorok Kialakításuk és flhasználásuk miatt létznk a hagyományos szrkzt és flhasználású transzformátoroktól ltér mgoldású brndzésk is, zkt nvzzük különlgs transzformátoroknak Takarékkapcsolású transzformátorok A takarékkapcsolású transzformátor a váltakozóáramú tljsítmény transzformálására alkalmas lggyszrbb szrkzt. Az ddig mgismrt kéttkrcss transzformátorral összhasonlítva nvzhtnénk gytkrcss transzformátornak is. Elvi kapcsolását mutatja az alábbi ábra:

10 Elktrotchnika jgyzt 93. ábra Elnyök:. kisbb tkrcs- és vasvsztség (mivl a közös mntszámú tkrcsrészbn a primr és szkundr áram különbség folyik: ),. kisbb mért és súly, 3. gyfázisú és háromfázisú szabályozó transzformátorokként is használhatók Hátrányok:. galvanikus kapcsolat a primr és szkundr tkrcs között (biztonsági célú lválasztásra tilos flhasználni!). amnnyibn szakadás lép fl az N nél, akkor = (éltvszélys lht!) 3. rövidzárási árama nagy, ui. a tljs primr fszültség az N N mntszámú tkrcsrészr sik Mértranszformátorok Nagy váltakozó fszültségk és áramok mérésér alkalmas különlgs transzformátorok. gítségükkl lht a nagy fszültségt és áramot közvtlnül mérht értékr csökkntni Fszültségváltó A fszültségváltó a nagy váltakozófszültségt alakítja át közvtlnül mérht értékr, általában 00V-ra. Mködés gy ürsjárásban dolgozó transzformátoréhoz hasonlít. A primr tkrcst a mérnd nagyfszültség hálózatra kapcsolják, míg a szkundr tkrcsr kötik a fszültségmért. A fszültségváltó lgfontosabb jllmzj az áttétl pontossága és a lképzés hség. dális stbn: N a N A fszültség abszolút értékk közötti ltérést a primr fszültségr vonatkoztatva kapjuk az ún. áttétli hibát, míg a fázisltérés stén az ún. szöghibát

11 Elktrotchnika jgyzt 94. ábra Fontos: A fszültségváltó szkundr kapcsait nm szabad rövidr zárni! Áramváltó Az áramváltó a nagy váltakozóáramot alakítja át közvtlnül mérht értékr, általában vagy 5A-ra. Mködés kissé ltér a hagyományos transzformátorétól. A primr tkrcst a mérnd nagy áram útjába sorosan kötik, míg a szkundr tkrcsr kötik az árammért. A primr és a szkundr oldali grjsztésk gynsúlya alapján: N N a Az áramváltó stén is a lgfontosabb jllmz az áttétl pontossága és a lképzés hség. 95. ábra A mérési célú áramváltók jllmz értéki: =5A (A) =5; 0; 50 ; 00 ; 500 ; 000 A