FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA TEORIJA ELEKTRIČNIH STROJEVA I TRANSFORMATORA TRANSFORMATORI TR. - Matematički model, nadomjesna shema, fazorski dijagram, paralelni rad, hlađenje, prenaponi Prof. dr. sc. Zlatko Maljković ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak. god. 00/0 Zagreb, 7.9.00
Sadržaj predavanja iz transformatora Gubici i korisnost Naponske jednadžbe Nadomjesna shema Fazorski dijagram Pad napona Zakoni sličnosti Rasipna reaktancija Paralelni rad Hlađenje transformatora Sile na namote Prenaponi 7.9.00
Jalova snaga i gubici u praznom hodu Zbog histereze struja magnetiziranja osim jalove ima i radnu komponentu struje Gubici zbog vrtložnih struja u limovima obuhvaćaju se proširenom petljom histereze tzv. dinamičkom petljom histereze Ukupni gubici u praznom hodu P 0 ovise o naponu, odnosno indukciji i frekvenciji. 7.9.00 3
Jalova (reaktivna) snaga transformatora u praznom hodu Permeabilnost magnetske jezgre ovisi o radnoj točki i iznosi od najveće nezasićene vrijednosti μ Fe =0,0 Vs/Am do minimalne μ Fe μ 0 =4π. 0-7 Vs/Am (zasićena vrijednost) Struja magnetiziranja Dio struje magnetiziranja I μfe može se računati iz karakteristika specifične potrošnje jalove snage po kilogramu mase lima Q j (za orijentirani lim oko,5 var/kg pri,5 T i 50 Hz). Drugi dio struje magnetiziranja pokriva magnetski pad napona u rasporu - I δ vrijednost koju je teško egzaktno odrediti jer je zračni raspor teško odrediv. Svi transformatori se ispituju u praznom hodu, tako da se struja praznog hoda mjeri, pa se i struja magnetiziranja najtočnije određuje mjerenjem. 7.9.00 4
Gubici u željezu transformatora Gubici u željezu zbog histereze i zbog vrtložnih struja Specifični p h i ukupni histerezni gubici P h (β= 3): p Specifični p w i ukupni gubici vrtložnih struja P w : p h w P = kh f B β h h Fe P Dodatni gubici u konstruktivnim dijelovima (kotao, oklopi oko izvoda, metalni držači i priteznici jezgre) nastaju zbog rasipnog toka = = p m p m = kw f B d w w Fe P (W/kg) 3 Q (var/kg) 75 50 5 Limovi starih transformatora Toplo valjani lim Gubici u Fe 0 0,5,5 Jalova snaga B (T) 7.9.00 5
Gubici u željezu i jalova snaga za magnetiziranje tipičnih orijentiranih limova pri uzbudi f = 50 Hz P (W/kg),5,5 90 u odnosu na smjer valjanja Limovi novih transformatora (M7) M6 M5 M4 Smjer valjanja Q (var/kg),5 (M7) M6 M5 M4 (M7) 0 5 M5 0 0,5 0,5 5 0 0,5,5 B (T) 0 0,5,5,8 B (T) 7.9.00 6
Osnovni teretni gubici Teretni gubici P t (gubici zbog tereta) predstavljaju gubitke u namotima zbog protoka struje. Osnovni teretni gubici (Joule-ovi pri istosmjernoj struji) su gubici I R za namote, gdje je R otpor namota pri istosmjernoj struji računat za normom definiranu radnu temperaturu namota. Uz poznat otpor R pri temperaturi θ može se otpor namota R za bakrene vodiče pri temperaturi θ računati prema formuli: R = R 35 + ϑ 35 + ϑ Za aluminijske vodiče prethodna formula vrijedi stavljajući umjesto faktora 35 faktor 5. 7.9.00 7
Dodatni teretni gubici Dodatni teretni gubici su razlika mjerenih gubitaka izmjeničnom strujom od računatih prema izrazu I R. Zbog izmjeničnog polja u kojem se nalaze vodiči teku vrtložne struje kroz vodiče, pa se događa nejednolika raspodjela struje kroz presjek vodiča i povećane gubitke. Zbog nejednolike raspodjele magnetskog polja po radijalnoj širini namota (najveće polje je u namotima uz kanal između dvaju koncentriranih namota) gubici zbog vrtložnih struja, pa onda i zagrijavanje najveće je u tim dijelovima namota. U svrhu smanjenja tih dodatnih gubitaka presjek vodiča okomit na magnetsko polje mora biti što manji, pa se namoti rade od dionih vodiča relativno malog presjeka. 7.9.00 8
Transponirani (prepleteni) vodiči Kod velikih energetskih transformatora rade se posebne vrste namota radi smanjenja dodatnih gubitaka u namotu, npr. preloženi disk namot s transponiranim vodičima 7.9.00 9
Gubici i korisnost transformatora Gubici u transformatoru se sastoje od gubitaka praznog hoda P 0 i teretnih gubitaka P t. Korisnost transformatora je omjer predane i primljene djelatne snage izražen u postocima: S cosϕ P P η = t S cosϕ [ ] 0 00 % Označava se najčešće s 4 znamenke, i današnji najveći transformatori postižu korisnost iznosa η= 99,80%, što znači da su ukupni gubici samo 0,% od prenesene snage. 7.9.00 0
Ovisnost korisnosti o opterećenju transformatora Relativno opterećenje α: S α = Sn Teretni gubici ovise samo o iznosu tereta: Gubici praznog hoda ovise o naponu, odnosno o indukciji i frekvenciji: P0 = f ( U ) = f ( B, f ) Korisnost: η = P t α = P tn α ϕ α α S cosϕ Sn cos P0 Ptn n 7.9.00
Optimalna korisnost transformatora () Maksimalnu korisnost u ovisnosti o opterećenju dobit će se derivirajući izraz za korisnost i izjednačujući ga s nulom, pa se dobiva: P0 P = tn 0 α Opterećenje pri kojem je korisnost najveća je: P0 α = P Korisnost je optimalna kada su gubici praznog hoda i teretni gubici jednaki P 0 = P t. Transformator s nazivnim teretnim gubicima jednakim gubicima praznog hoda imao bi maksimalnu korisnost kod punog tereta. tn 7.9.00
Optimalna korisnost transformatora () No većinu vijeka trajanja transformator neće raditi punom nego smanjenom snagom. Uobičajena je izvedba transformatora s P tn dva do šest puta većim od P 0, što znači da je optimalna korisnost pri: odnosno: P 0 α = = tn = P0 0,7 za P P 0 P 0 α = = tn = 6P0 0,4 za P 6P 0 7.9.00 3
Optimalna korisnost transformatora (3) Postiže se pri opterećenju od 40% kod manjih do 70% kod najvećih transformatora. Optimalna korisnost: η max α S = n cosϕ P0 α α S cosϕ n P tn = P P 0 tn S n cosϕ P P P 0 tn S n 0 cosϕ P P 0 tn P tn η max = S n P P 0 cosϕ tn 7.9.00 4
MATEMATIČKI MODEL. Opće naponske jednadžbe transformatora Naponske jednadžbe primarnog i sekundarnog namota dψ di di u = R i + = R i + L L dt dt dt dψ di di u = Ri = R i + = R i + L L dt dt dt i i I I R u R R U RZ U u L L L R L Naponi i struje su trenutne vrijednosti Otpori i induktiviteti su konstantni M L 7.9.00 5
Naponske jednadžbe u simboličkom prikazu Naponske jednadžbe primarnog i sekundarnog kruga transformatora za stacionarno stanje (kad su naponi i struje sinusne veličine) u simboličkom prikazu: U = U R I = Dodavanjem dvaju suprotnih članova (jωl I i -jωl I ) u naponsku jednadžbu primara i (jωl I i -jωl I ) u jednadžbu sekundara dobije se: R + I jωli jωl I + jωl I jωl ( ) jω ( ) ( ) jω ( ) U = R I + jω L L I + L I I U = R I + jω L L I L I I I R L -L L -L R I I U L U 7.9.00 6
Nadomjesne sheme Teorijski korektna nadomjesna shema je T/-shema, no za transformatore sa željeznom jezgrom dovoljno točna je i uobičajena T-shema I R σ L R (L /L ) I L /L U k L U L /L T/ - shema I R L σ (w /w ) L σ (w /w ) R (w /w )I U (w /w )L (w /w )U T - shema 7.9.00 7
Pojednostavljena T -shema U literaturi je uobičajen odabir koeficijenta a = s kojim se dobivaju rasipne reaktancije primara i sekundara. Dodavanjem otpora u poprečnu granu R 0 koji predstavlja nadomjesni otpor na kojoj se disipirasnaga praznog hoda (gubici u željezu) dobiva se sljedeća nadomjesna shema: X σ X σ R I I R L -L w /w (w /w ) L -L w /w (w /w ) R I w /w w w U R 0 I 0 I 0r I µ X µ U w /w U 7.9.00 8
Naponske jednadžbe u simboličkom prikazu Naponske jednadžbe primarnog i sekundarnog kruga transformatora za stacionarno stanje (kad su naponi i struje sinusne veličine) u simboličkom prikazu: U = Z I Z I U + = Z I Z I gdje su impedancije: Z = R + jωl Z = R + jωl Z = j L ω I I I I R R U Z U L L U R L M L R L U 7.9.00 9
Impedancija u praznom hodu i kratkom spoju Prazni hod Kratki spoj R KS = R Za kratki spoj vrijedi: Otpor i reaktancija u kratkom spoju + ω R Z = R + jωl PH Z Z I I = U = Z I Z Z U ( ) Z j L Z ω KS = = Z = R + jωl I Z R + jωl ( R + ω L ) L R X KS << ω L R KS R + R = ωl L L ω L L 3 R PH = R X PH = ωl ( R ) + ω L X KS ω L L L L 7.9.00 0
Ulančenjei rasipanje Ulančenjeprimara i sekundara nije potpuno, nego je definirano koeficijentom k < za primar odnosno k < za sekundar, odnosno vrijedi: L w L = w k = k L w L w Ukupni koeficijent ulančenja: L k = k k = Koeficijent rasipanja: σ = k Induktivitet transformatora u kratkom spoju: < L L L KS σl Koeficijent rasipanja predstavlja omjer: σ = L L KS PH = X X KS PH 7.9.00
Opća T -nadomjesna shema Dodavanjem dvaju suprotnih članova (jωl I i -jωl I ) u naponsku jednadžbu primara i (jωl I i -jωl I ) u jednadžbu sekundara dobije se: ( ) j ω ( ) ( ) j ω ( ) U = R I + jω L L I + L I I U = R I + j ω L L I L I I Na temelju ovih jednadžbi crta se nadomjesna T-shema transformatora I R L -L L -L R I U L U Fizikalno je ispravno da su:l -L >0 i L -L >0. Zato treba uvesti koeficijent akoji treba biti u granicama: w L L k = < a < = w L L k w w 7.9.00
Oblici nadomjesne sheme Međuinduktivitet valja pomnožiti s koeficijentom a, a sekundarne otpore i samoinduktivitetes a. U takvoj shemi primarni naponi i struje ostaju nepromijenjeni, dok se sekundarni naponi množe s a, a sekundarne struje dijele s a. I R L -al a L -al a R I /a U al au 7.9.00 3
T-shema s dva rasipna induktiviteta i T/ shema s jednim rasipnim induktivitetom Odabirom: dobiju se jednaki iznosi serijskih induktiviteta (reaktancija) u primaru i sekundaru. Odabirom: a = a = L L L L dobije se T/ shema. U I R (-k)l (-k)l R (L /L ) I (L /L ) T - shema T/ - shema Pri tome je sekundarni napon u praznom hodu L / L puta manji zbog neulančanog ukupnog toka sekundara u odnosu na primar. kl U L /L I R σ L R (L /L ) I L /L U k L U L /L 7.9.00 4
Fazorski dijagram za: T/ -shemu T -shemu I R I jx σ I = I I µ 0 U I jx σ I R U E I R I jx σ I R u k u σ φ u r i U E I U I Trokut kratkog spoja φ φ I φ φ I I µ I µ 7.9.00 5
Pad napona u transformatoru u % = α[u r% cosφ+ u σ% sinφ+ 0,005α(u σ% cosφ u r% sinφ) ] α = S/S n u σ u k u r u k = Z k S n /U n u r = P tn /S n = R k S n /U n u = u - u u % = 00 u u Kappov dijagram φ u φ i u σ = ωl σ S n /U n u σ = (u k - u r ) u k% = 00 u k u σ% = 00 u σ u r% = 00 u r 7.9.00 6
Razlike u parametrima malih i velikih transformatora Mali transformator Veliki transformator R R = % R R = 0, % X σ = L σ = 5 % X σ = L σ = % u σ u k Mali tr. ur I R L σ R I U I µ -E L U Z u k Veliki tr. u σ u r 7.9.00 7
Pad napona nazivno opterećenog transformatora za različite faktore snage za: a) male, b) velike (mrežne) transformatore a) u% 6 4 b) u% 0 0, 0,4 0,6 0,8 0,6 0,4 0, - -4 0 cosφ 0 cosφ kap. -6 cosφ ind. kap. - cosφ ind. u r =% u σ =6% u r =0,% u σ =% 7.9.00 8
Pad napona transformatora u ovisnosti o opterećenju i karakteru opterećenja Napon sekundara raste s porastom kapacitivnog opterećenja, dok pada s porastom induktivnog opterećenja (u odnosu na prazni hod) u% 5 0-5 0,5 0, 0,8 0,9 0,9 0,8 0 cosφ ind. kap. S S n 7.9.00 9
Zakoni sličnosti Slično građeni transformatori: građeni od istih materijala, ista specifična opterećenja B(T), J(A/mm ), geometrijski slično građeni. Ako je X omjer linearnih izmjera Površina Masa Obujam A' = X m' = X V ' = X 3 3 A m V 7.9.00 30
Snaga i korisnost sličnih transformatora Gubici se mijenjaju kao i masa: Snaga: Povećanjem linearnih dimenzija snaga se povećava brže od gubitaka Korisnost: S = U I = ω Φ w I = ω B A w J A S ' = X / η 4 S P g ' = X S cosϕ P X S cosϕ X P = = S cosϕ X S cosϕ j 3 P / / 4 3 n g n g / 4 n P / g η η = = X S cosϕ X Korisnost većeg transformatora je veća n n g n 7.9.00 3
Glavni i rasipni tok i napon kratkog spoja Glavni tok (kao poprečna površina jezgre): Rasipni tok: Lσ I w λσ Dπ A s δ Φ r σ = = J = wµ JA w w l 3 σ Φ ' σ = XLσ X I = X Φσ Induktivna komponenta napona kratkog spoja (kao rasipni induktivitet): Djelatna komponenta napona kratkog spoja (kao djelatni otpor): Φ ' = X Φ n 0 n u ' = Xu σ % σ % u ' = Napon kratkog spoja u k% veći je kod većih transformatora r% u r% X 7.9.00 3
Sile na namote i dodatni gubici Sile na namote najveće su u kratkom spoju, kad je struja definirana uglavnom rasipnim induktivitetom; Akumulirana energija u rasipnom polju: Lσ I K 3 3 Aσ KS = = k Lσ A' σ KS = X A Sila na namote(derivacija F ' KS = X FKS energije po smjeru): Dodatni gubicikao posljedica rasipnog toka rastu brže od teretnih gubitaka procjenjuju se s 5.potencijom od X. σ KS Povećanjem linearnih dimenzija dodatni gubici rastu brže od osnovnih gubitaka 7.9.00 33
Nadomjesne sheme za prijelazne pojave u transformatoru i važnost parametara (prema CIGRE) Transformator Skupina I 0, Hz 3 khz Skupina II 50/60 Hz 0 khz Skupina III 0 khz 3 MHz Skupina IV 00 khz 50 MHz Nadomjesna shema R (f) L L R (f) W W L m (Ψ) C' / C' / R (f) L L R (f) R Fe C / C / C W W / C / L m (Ψ ) R Fe C' / C' / R (f) L L R (f) C / C C / W W C / C / k C k C * Z s C C * Impedancija kratkog spoja vrlo važna vrlo važna važna zanemariva Zasićenje vrlo važno vrlo važno za magnetiziranje transformatora zanemarivo zanemarivo Frekvencijski ovisni gubici vrlo važni važni zanemarivi zanemarivi Gubici histereze i praznog hoda važni za rezonanciju važni samo za magnetiziranje transformatora zanemarivi zanemarivi Parazitski kapaciteti zanemarivi važni vrlo važni vrlo važni 7.9.00 34
Rasipno polje Rasipno polje u transformatoru rezultat je djelovanja oba protjecanja primarnog i sekundarnog. Rasipno protjecanje (magnetski pad napona) i rasipni tok najveći su u rasporu između namota, a u zoni namota linearno opadaju. V m rasipno protjecanje B δ rasipna indukcija B δ V m a a δ x 7.9.00 35
Rasipni tok primarnog i sekundarnog namota () + _ V m rasipno protjecanje, B δ rasipna indukcija B δ V m B V m a δ a x 7.9.00 36
Rasipni tok primarnog i sekundarnog namota () B δ V m PRIMARNI ZRAK SEKUNDARNI NAMOT (ULJE) NAMOT x 7.9.00 37
Magnetska energija akumulirana u prostoru rasipnog toka A = A + A + σ A σ δ σ gdje su akumulirane energije: A σ -u prostoru primara A δ - u prostoru između namota A σ -u prostoru sekundara Φ σ l D u Raspodjela indukcije u području primara širine a i sekundara a Bδ Bδ x B x = x B x = a a a Obujam prostora primara i sekundara: ( u ) dv l D x π dx x = σ + D u D v ( u ) dv l D x π dx x = σ + a δ a 7.9.00 38
Magnetska energija u prostoru primarnog namota A σ i između namota A δ i u prostoru sekundarnog namota A σ Aσ = Bσ HδdVx Bx dv = µ a B δ σ σ µ 0 a 0 ( u ) A = x l D + x π dx δ σ ( u δ ) π δ δ ( u δ ) Aδ Bδ D lσ D µ 0 µ 0 Bδ lσ 0 ( ) u a Bδ lσ π x σ µ 0 a 0 ( ) u A = D + x dx 0 B l π = = π Aδ = δ D + a µ x 7.9.00 39
40 7.9.00 Ukupna magnetska energija rasipnog polja Nakon sređivanja ukupna je magnetska energija rasipnog polja: gdje je srednji promjer: Ako su širine primarnog i sekundarnog namota približno jednake a a tada vrijedi: + + + + = s s s s s D a D a D a D a D l B A 3 3 3 0 δ δ δ µ π σ δ σ + δ + = D a D u s + + = δ µ π σ δ σ 3 0 a a D l B A s D S D u D v a a δ l
Rasipni induktivitet - iz akumulirane energije: Veza indukcije i struje iz zakona protjecanja: L σ Ds π a + a = w µ 0 + δ l 3 σ l = σ l K R L B σ δ = = Aσ i wi µ 0 l δ l σ -nadomjesna duljina rasipnih silnica l-visina stupa jezgre K R koeficijent Rogowskog K σ σ R R = σ R e σ R R δ + a + a = π l D u D S D v a a δ l 7.9.00 4
4 7.9.00 Transformator sbikoncentričnimnamotima + + + + + + = 3 ) ( ) ( 3 ) ( 3 0 0 a a l D w a a l D w L s s α δ π µ α α δ π µ α σ σ σ l a a l l π δ α σ + + = l a a l l π δ α σ 3 ) ( + + = Rasipni induktivitet: gdje su nadomjesne visine:
Transformator spločastimnamotima Rasipni induktivitet, ako ima n svitaka namota: L σ w Ds π a + a = µ 0 + δ n b 6 Srednja duljina rasipnih silnica: Koeficijent Rogowskog: K R δ 0 = σ R σ Rb e e ( e σ b = σ b K R Pločastim namotima postižu se manji iznosi rasipne reaktancije σ R ) D s δ o LV HV LV HV LV b a a a 7.9.00 43
Rasipna reaktancija Rasipna reaktancija u Ω: X σ = ω L σ Rasipna reaktancijau postocima je identičnog iznosa s reaktivnom (jalovom) komponentom napona kratkog spoja transformatora u postocima: ω S x = u = u = 00 L (%) n σ % x% σ % σ U n 7.9.00 44
Paralelni rad transformatora Uvjeti paralelnog rada: Isti satni broj Jednaki nazivni naponi transformacije U n /U n Približno jednaki naponi kratkog spoja, razlika do 0% Omjer nazivnih snaga ne veći od Z k φ k Zk φ k T T I I 7.9.00 45
Paralelno spojeni transformatori Dopušteno opterećenje n paralelno spojenih transformatora S d : S d Opterećenje pojedinog transformatora S i : gdje su: = u k min n i= S u ni ki S = i S u ni ki u k min Z k φ k I I Z k φ k Z kn I n φ kn u ki -napon kratkog spoja i-tog transformatora u kmin -napon kratkog spoja transformatora s minimalnim u k 7.9.00 46
Paralelno spojeni transformatori Opterećenje pojedinog transformatora u slučaju kada se ukupno opterećenje paralelno spojenih transformatora S razlikuje od dopuštenog opterećenja S d iznosi: S i = S u ki S ni n i= S u ni ki 7.9.00 47
Načini hlađenja transformatora Oznaka načina hlađenja transformatora sastoji se od 4 slova:. Rashladno sredstvo namota. Način hlađenja namota 3. Rashladno sredstvo vanjskog hlađenja 4. Način hlađenja za vanjsko hlađenje Rashladno sredstvo: O mineralno ulje, L sintetsko ulje, G plin, W voda, A zrak, S kruti materijali Način hlađenja: N prirodno, F prisilno, D dirigirano. 7.9.00 48
Primjeri oznake hlađenja transformatora: ONAN hlađenje prirodnim strujanjem ulja oko namota, i zraka kao sekundarnog rashladnog sredstva (uljni transformatori do 0 MVA). ONAN/ONAF do 80% snage ONAN, dalje se automatski uključuju ventilatori. ODWF - hlađenje namota dirigiranim strujanjem ulja u kotlu, te sekundarnim rashladnim krugom u kojem prisilno struji voda (najveći transformatori). AN suhi transformatori bez zaštitnog kućišta. ANAN suhi transformatori sa zaštitnim kućištem i prirodnim strujanjem zraka unutar i izvan kućišta. AF suhi transformatori za veće snage. 7.9.00 49
Dopušteno zagrijavanje transformatora prema IEC normi 7.9.00 50
Zagrijavanje u transformatoru po vertikali 7.9.00 5
Prisilno hlađenje transformatora jezgra pumpa 3 VN namot 4 SN namot 5 NN namot strelice označavaju smjer strujanja ulja pumpa hladnjak 3 ventilator 7.9.00 5
Vodeni hladnjaci Na veće transformatore ponekad se ugrađuju hladnjaci koji rashlađuju ulje odvodom topline vodom umjesto zrakom. Manjih su dimenzija ali zahtijevaju rashladnu vodu. 7.9.00 53
Zagrijavanje u kratkom spoju Zagrijavanje transformatora tijekom kratkog spoja u pravilu nije problematično zbog kratkog trajanja, no ipak ga treba provjeriti. Srednja temperatura namota ϑ ( C) nakon protoka struje kratkog spoja izražene gustoćom struje J(A/mm ) u trajanju t(s) iznosi (IEC 60076-5): θ = θ + Cu 0 ( θ0 + 35) 06000 J t Al 0 gdje je početna temperatura namota ϑ 0 ( C) ( θ0 + 5) 45700 J t Dopuštena maksimalna temperatura namota je 50 C za bakar i 00 C za aluminij, a formule vrijede za trajanje K.S. do 0 s (adijabatski uvjeti). θ = θ + 7.9.00 54
Sile na namote u transformatoru u kratkom spoju Sile računamo iz magnetske energije rasipnog polja A i = w σ 0 Radijalna sila F r D µ l s σ π δ r F r F a F a F r F A σ = = w µ r δ 0 r Aksijalna sila F a i D l s σ π F A i D π a σ s = = w µ 0 lσ lσ δ r = F r δ r l σ F a F a 7.9.00 55
Deformacije namota nastale zbog kratkog spoja transformatora u pogonu Deformacije unutrašnjeg namota Tipični primjer deformacije unutrašnjeg namota: 7.9.00 56
Tipska snaga Tipska snaga transformatora je nazivna snaga dvonamotnog transformatora bez regulacije. Ako imamo mogućnost regulacije napona za +a % i b % treba jednom namotu dodati a % zavoja, i presjek vodiča povećati za b % da bi pri tom nižem naponu struja bila veća za b %.Tipska snaga takvog transformatora da nema regulacije je približno: a% + b% ST = SN + 00 Ako postoji treći namot nazivne snage S 3 tipska snaga je: S T a + b S = SN + + 00 S % % 3 N 7.9.00 57
AUTOTRANSFORMATOR Transformator u štednom spoju Autotransformator je transformator u kojem su barem dva namota kruto spojena u zajednički namot. Višenaponska strana namota sastoji se od serijskog i zajedničkog (paralelnog) namota. Niženaponska strana se sastoji samo od zajedničkog namota. U autotransformatoru samo se dio snage transformira induktivnim putem, dok se preostali dio prenosi direktno s primara na sekundar preko galvanske veze namota. U a I a I a -I a I a U a 7.9.00 58
Prednosti i nedostaci autotransformatora Prednosti autotransformatora prema dvonamotnom transformatoru za iste napone i snagu u osnovi se sastoji u manjim dimenzijama, nižim gubicima, većoj korisnosti, lakšem transportu i nižoj cijeni. Negativne strane autotransformatora proizlaze iz galvanske veze primarnog i sekundarnog kruga i time direktnog prijenosa prenapona s jednog sustava na drugi. Spoj trofaznog namota autotransformatora mora biti u zvijezda spoju da bi se mogao jedan izvod zajedničkog namota uzemljiti. Izolacijski sustav autotransformatora je kompleksniji zbog gotovo redovito izvedenih dodatnih regulacijskih zavoja. 7.9.00 59
Shema autotransformatora U U k a = U a / U a = (w +w ) / w I I U w w Z U I a N N U U U a I a I I +I w w Z U I a -I a U a I N 7.9.00 60
Snaga autotransformatora S = U I = ( U + U ) I S a a a U = U I + U U = a a Sa ST U a U a Tipska snaga : U a ST = Sa Ua Faktor redukcije : q S S T = = a U U a a I a = I U I a = I +I U a ST S na 0,5 U 0 0,5 Ua Ua Ua 7.9.00 6
Napon kratkog spoja autotransformatora Napon kratkog spoja s VN strane u postotnom iznosu je manji jer je primarni napon veći (umjesto U bazni je napon U a = U +U ): Z S Ua k T Z U k a U U a a U a uka% = 00 = 00 = u k% Ua U U a a S U n a Ua U a ST u = u ka% k% S a Zbog manjih struja kratkog spoja u mreži često je zahtjev kupaca da u ka bude većeg iznosa (čak i do 40%), pa se autotransformator mora raditi s posebnom konstrukcijom namota koje karakteriziraju povećani dodatni gubici. 7.9.00 6
Primjena autotransformatora Zbog uštede se često primjenjuju autotransformatori za velike snage pri povezivanju VN mreža (400, 0 i 0 kv). Najčešće se izrađuju tronamotni transformatori s VN i SN namotima spojenim u zvijezdu u štednom spoju, a NN namot je galvanski odvojen i spojen je u trokut. Taj se tercijar obično ne koristi za napajanje svoje mreže; tada ga nazivamo stabilizacijski namot kojim se ostvaruje da u magnetskom toku i induciranom naponu nema trećeg harmonika. Često se autotransformatorima dograđuje regulacijska sklopka zbog mogućnosti podešavanja prijenosnog omjera pod teretom. 7.9.00 63
Regulacija napona autotransformatora (napon VN strane čvrst) 7.9.00 64
Regulacija napona autotransformatora (napon VN strane promjenljiv) 7.9.00 65
Tercijar Tercijar je kratkospojeni namot malog otpora, jednoliko razdijeljen na sva 3 stupa tako da su svi svici spojeni u seriju spoj trokut. Namotan je okostupai sprečava zatvaranje 3.harmonika toka u prostoru između stupova i kotla. Nulta reaktancija jednaka je direktnoj reaktanciji i zato kažemo da tercijar ruši nultu reaktanciju od iznosa bliskog reaktanciji praznog hoda na iznos blizak reaktanciji kratkog spoja. U slučaju nesimetričnog opterećenja po fazama kada nema nul voda javljaju se istofazni tokovi u jezgri. Naponi inducirani tim tokovima mijenjaju fazne napone. No u tercijaru će poteći struja inducirana od istofaznih tokova u jezgri koja će svojim djelovanjem poništiti djelovanje istofaznih struja tereta. 7.9.00 66
Uloga tercijara Tercijar u transformatoru u spoju Yy ima funkciju smanjenja nulte reaktancije transformatora, simetriranja opterećenja po fazama, smanjenja nultih komponenti struje uključenja i sl. Može se koristiti i za priključak trošila, odnosno u elektrani ili transformatorskoj stanici gdje su potrebna 3 različita napona. Ako se ne koristi za napajanje trošila naziva se i stabilizacijski namot. Primjer tronamotnog transformatora s tercijarom: YNyn0d5 7.9.00 67
Cik-cak spoj transformatora Svaki se fazni namot sastoji od dva dijela u kojima se induciraju fazno pomaknutinaponi. Te se polufaze nalaze na različitim stupovima. 5,5% više zavoja nego u spoju zvijezda. Omogućeno nesimetrično opterećenje (čak 00% opterećenja samo jedne faze). Upotreba za manje transformatore (do 60 kva) Primjer: Yzn5 7.9.00 68
Cik-cak (slomljena, razlomljena zvijezda) Praktički se ne koristi za primarni namot. Zbog spoja svake faze od polunamota, struje 3.harmonika djeluju tako da se treći harmonik protjecanja poništava, što znači da nema 3.harmonika magnetskog toka. Taj se tok može zatvoriti samo između cik-cak namota (jako veliki magnetski otpor) pa treba puno amperzavoja, tj. struja magnetiziranja (primara) mora biti jako velika. 7.9.00 69
Transformator za uzemljenje Iznimka za spoj cik-cak u primaru je transformator za uzemljenje. Ako treba mrežu (npr. 0 kv) uzemljiti, a spoj je na toj strani trokut ubacuje se transformator za uzemljenje u Z-spoju (to je praktički prigušnica). U sekundaru takvog transformatora za uzemljenje može se dodati namot u spoju y za napajanje NN mreže (0,4 kv) tako da je npr. grupa spoja ZNyn5. 7.9.00 70
Prenaponi kojima je izložen transformator Atmosferski atmosfersko izbijanje prilikom udara groma u dalekovod ili bliskih munja. Sklopni isklop ili uklop prekidača mijenja konfiguraciju mreže i nastupa prijelazno stanje s drugačijim akumuliranim energijama u električnom, magnetskom i mehaničkom dijelu sustava kao npr. počeci kratkih spojeva. Da bi bili sigurni da će transformator normalno raditi u svim radnim uvjetima ispitujemo ga: izmjeničnim ispitnim naponima nazivne frekvencije AC (kv) razine od 0 do 630 kv udarnim ispitnim naponima posebnog valnog oblika -LI (kv) razine od 40 do 45 kv 7.9.00 7
Najviši napon opreme U m (kv) 3,6 7, 4 36 3 45 40 Podnosivi napon industr. frekv. (kv) 0 0 8 50 70 85 30 360 395 570 630 Podnosivi udarni napon (kv) 40 60 75 5 70 450 550 850 950 300 45 7.9.00 7
Sklopni prenaponi primjer oznake ispitivanja namota na otpornost prema sklopnim prenaponima: AC30 Amplituda prenapona u odnosu na nazivni napon može biti i do 3 puta veća, ali tehnička rješenja limitiraju je na i manje. Sklopni prenaponi simuliraju se valovima oblika 00-500 µs / nekoliko ms. Strmina: T 0 < 50 μs =,67 T U 0,9 T d 90% trajanje: T d 00 μs 0,3 Trajanje do prve nule: T 500 μs 0 T T t 7.9.00 73
Ispitivanje udarnim valom primjer oznake: LI550 (Lightning impulse test Full wave lighting impulse) Provjerava se sposobnost izolacije da će izdržati atmosferske prenapone koji se mogu pojaviti. U 0,9 T =, ±30% µs T = 50 ±0% µs T =,67 T T = 0,5 T 0,5 0,3 0 T t T T T 7.9.00 74
Natpisna pločica Za transformatore veće snage od 0 MVA preporuča se primjena vrijednosti R0 reda za nazivne snage, tj. 00, 5, 60, 00, 50, 35, 400, 500, 630, 800, 000 itd. (IEC 60076-). Primjer označavanja regulacijskih transformatora: Transformator s regulacijom na 0 kv namotu s ukupno odvojkom simetrično postavljenim: (0 ±0 x,5 %) / 35 kv ili uz nesimetrične odvojke: (0-8x,5% +x,5% ) / 35 kv 7.9.00 75
Nazivni podaci specijalnog tronamotnog transformatora Nazivna snaga S n (kva) Najviši napon opreme U m (kv) U ISP_udarni U ISP_fn u k Uključenje rashladnih ventilatora hladnjaka kad je snaga veća od 3,5 MVA 7.9.00 76
Supravodljivitransformatori Namoti su u supravodljivom stanju (I Rzanemarivi) Rashladni medij helij (LTS) dušik (HTS θ=-60 do -30 C). 7.9.00 77