09 Cívky a transformátory
Cívka je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech:
k vytvoření magnetického pole elektrického proudu (elektromagnet)
k indukci elektrického proudu proměnným magnetickým polem (induktor)
v elektromagnetických oscilačních obvodech - cívka a kondenzátor jsou nezbytné součástky pro vznik elektromagnetických kmitů v obvodu (rezonanční LC obvody).
Cívka se skládá z vodiče navinutého na izolační nosnou kostru.
Vinutí může být jednovrstvé nebo vícevrstvé.
Pro vícevrstvé „vysokofrekvenční“ cívky – se používá křížové vinutí, pro omezení vlastní el. kapacity cívky.
Vodič (může být i samonosný) v cívce má mít co nejmenší rezistivitu (tepelné ztráty) – proto měděný.
Ke zvětšení magnetických vlastností se dovnitř cívky vkládá jádro z magneticky měkké oceli.
K omezení vzniku vířivých proudů v jádře se jádro skládá z několika vrstev oddělených izolantem nebo z jemných železných částeček spojených izolační hmotou (železové jádro).
Rozdělení cívek
Podle rozměrů a tvaru:
1) solenoid - velmi dlouhá cívka
2) toroid - cívka kruhová
Podle frekvence střídavého proudu:
1) nízkofrekvenční cívky
2) vysokofrekvenční cívky
Cívka elektromagnet - využívá se magnetická síla magnetického pole kolem cívky v zařízeních jako např. elektromotor, zvonek, reproduktor, elektromagnetické relé, měřící přístroje (galvanometr, ampérmetr, voltmetr,….)….
Výhodou elektromagnetu je to, že magnetické pole je dočasné a dá se snadno měnit jeho velikost a směr.
Cívka induktor - využívá se elektrické napětí indukované proměnným magnetickým polem kolem cívky
Tlumivka
cívka působí proti prudkým změnám v elektrickém obvodu, které vyvolávají změnu magnetického pole kolem cívky a následně se v cívce indukuje elektromotorické napětí působící vždy proti změnám, které je vyvolaly.
Transformátor
obsahuje dvě nebo více cívek na společném jádře. Změnou elektrického proudu (střídavým proudem) v jedné cívce se indukuje elektrický proud v druhé cívce, dochází k transformaci proudu a napětí.
Transformátory
Transformátor se skládá z magnetického obvodu (jádra). Z primární – vstupní cívky a z jedné nebo více cívek výstupních - sekundárních.
Základní funkcí je měnit velikost - transformovat napětí, nebo galvanicky oddělovat vstupní obvod od výstupního obvodu
Činnost transformátoru je založena na elektromagnetické indukci.
Transformátor má dvě vinutí navinutá na společném jádře. Vinutí, do kterého proud přichází, nazýváme primární vinutí. Vinutí, ze kterého proud odebíráme, nazýváme sekundární vinutí. V sekundárním vinutí se podle principu Faradayova indukčního zákona indukuje elektrické napětí (vinutím L1 proud, vytváří magnetické pole) Jeho magnetický tok Φ ve vinutí L2 indukuje napětí.
Toto napětí je přímo úměrné počtu jeho závitů. U1 = (N1/N2)*U2
Tedy platí, že: U1/U2= N1/N2
N1 - počet závitů primárního vinutí
N2 - počet závitů sekundárního vinutí
U2 - napětí na sekundárním vinutí
Dále platí zákon zachování energie: I1U1 = I2U2
I1 - proud primárním vinutím
I2 - proud sekundárním vinutím
Transformátorový převod – p=U1/U2 =N1/N2=I2/I1
Výše uvedený vztah platí pro bezeztrátový transformátor. Kdežto u skutečného transformátoru jsou ztráty závislé na jeho velikosti, velké transformátory mají max. účinnost = 98 %, ty nejmenší mají účinnost 60 - 70 %.
Magnetický obvod klade střídavému magnetickému toku odpor popsaný hysterezní křivkou. Tak dochází ke ztrátám enegie spotřebované na změnu směru magnetického toku. Část magnetického toku se také uzavírá v prostoru kolem cívky mimo jádro a dochází tak ke ztrátám rozptylem.
Další ztráty vznikají vířivými proudy v jádře, což jsou proudy vytvořené indukovaným napětím ve vodivém jádře, protékající kolmo na magnetický tok. Snižují se skládáním jádra z navzájem odizolovaných tenkých plechů.
hysterezní křivka
Transformátor naprázdno
primární vinutí je připojené ke zdroji napětí,sekundárnívinutí je nezatížené
V náhradním schématu neuvažujeme sekundární vinutí (neprochází jím proud), primární vinutí zanedbáváme (odebírá malý proud naprázdno, vliv vinutí je zanedbatelný, úbytky napětí jsou malé)
Proud naprázdno Io – je malý, vytváří magnetické pole jádra a kryje ztráty v železe
Složky:
IFe činná složka proudu na krytí ztrát v železe
Iμ indukční (jalová) složka proudu, vytváří magnetické pole
Indukční (jalová) složka proudu je větší než činná složka, vzniká velký fázový posun mezi napětím a proudem, zhoršuje se účiník = poměr činného a zdánlivého výkonu
Hodnota účiníku se pohybuje se od 0 do 1, ideální = 0,9
u transformátoru naprázdno bývá do 0,5
Ztráty naprázdno PFe – činný výkon transformátoru odebíraný ze zdroje ve stavu naprázdno, kryje pouze ztráty v železe
Zdánlivý výkon - celkový výkon dodávaný zdrojem
Jalový výkon – vytváří magnetické pole
Transformátor nakrátko
Při chodu nakrátko má transformátor sekundární svorky spojené do zkratu – pro trafo=porucha
Primárním vinutím transformátoru prochází proud, vytváří magnetické pole a to do sekundární cívky indukuje napětí.
Sekundárním vinutím prochází téměř nekonečný proud, protože odpor (impedance) je velmi malý. Procházející proud vytváří úbytky napětí na činném odporu vinutí a na reaktanci cívky.
Tyto úbytky jsou tak veliké, že na sekundárních svorkách je napětí nulové.
zjednodušený fázorový diagram
Proud nakrátko (zkratový proud) je velký, jeho velikost závisí na napětí zdroje a impedanci vinutí
Impedance vinutí
Napětí nakrátko UK je taková hodnota napětí zdroje, kdy zkratovaným transformátorem prochází jmenovitý proud IN. Napětí nakrátko se udává na štítku transformátoru v procentní hodnotě jako poměrné napětí nakrátko
Poměrné napětí nakrátko u výkonových transformátorů je 3 – 6%
Účiník nakrátko
se blíží k 1, téměř celý příkon ze zdroje se spotřebuje na krytí ztrát nakrátko.
Indukční jalová složka, která vytváří magnetické pole v jádru transformátoru je malá.
Ztráty nakrátko = činný příkon, který se spotřebuje na krytí ztrát ve vinutí
3-fázový transformátor
vznikne spojením tří jednofázových transformátorů. V praxi lze použít:
-3x jednofázové transformátory – větší spotřeba materiálu (pro zálohování stačí jeden transformátor menšího výkonu)
-1x trojfázový transformátor – menší spotřeba materiálu (pro zálohu musí být jeden transformátor stejného výkonu)
Spojování vinutí
Cívky primárního a sekundárního vinutí mohou být navinuty dvojím způsobem:
– souhlasně indukovaná napětí stejný směr
- nesouhlasně indukovaná napětí opačný směr.
Cívky mohou být rovněž různým způsobem spojeny:
a)Vinutí spojená do hvězdy – Y - cívky všech tří fází jsou spojeny paralelně.
Vyvedením středního vodiče ze společného uzlu získáváme soustavu dvou napětí – sdružené (mez fázemi) a fázové (mezi fázovým a středním vodičem)
b) Vinutí spojená do trojúhelníku – D - cívky všech tří fází jsou spojeny do série – získáváme pouze sdružené napětí.
c) Vinutí spojená do lomené hvězdy – Z
Cívky každé fáze jsou rozděleny na polovinu a jedna polovina je posunuta na následující sloupek magnetického obvodu.
Používá se pouze na výstupní straně transformátoru pro vyrovnání nerovnoměrného zatížení jednotlivých fází.
U skutečných transformátorů může být primární i sekundární vinutí zapojeno různě.
Velká písmena (D,Y) - strana vyššího napětí.
Malá písmena (d,y,z) - strana nižšího napětí.
Hodinový úhel
Označení zapojení vinutí transformátorů bývá doplněno číslem (např. Yy0, Dy1 apod.). Číslice, uvedená za označením zapojení primárního a sekundárního vinutí, udává fázový posun mezi fázorem primárního napětí a odpovídajícím fázorem sekundárního napětí. Tento fázový posun se udává v hodinách, přičemž úhel 30o odpovídá jedné hodině a měří se ve směru pohybu hodinových ručiček.
