Ztráty v transformátoru

Obr. 1. Princip transformátoru [2]

Ztráty v mědi (elektrické ztráty) jsou způsobeny ohmickým odporem vinutí primární a sekundární cívky. Vinutí je obvykle z mědi nebo hliníku. Díky průchodu proudu tímto vodičem dochází k přeměně části přenášené energie na Joulovo teplo, které se vyzáří v podobě tepelné energie a způsobuje oteplení vinutí transformátoru. Tyto ztráty jsou proměnlivé podle zatížení transformátoru, tedy podle toho, jak velký výkon transformátor přenáší.

Měření elektrických ztrát se provádí při zkratovaném sekundárním vinutí (proto jsou označovány také jako ztráty nakrátko) a při napájení transformátoru napětím sníženým na takovou úroveň, aby proud primárním vinutím byl roven jmenovitému proudu (anebo se na tyto podmínky následně přepočítávají). Z tohoto měření se vypočítá napětí nakrátko. Napětí nakrátko je charakteristickou hodnotou transformátoru a často se udává v procentech jmenovitého napětí. Čím větší je napětí nakrátko, tím menší je proud nakrátko a tím menší jsou i ztráty ve vinutí transformátoru. Transformátory s velkým zkratovým napětím jsou označovány jako měkké zdroje napětí, transformátory s malým zkratovým napětím jsou tvrdé zdroje napětí.[3]

Podstata vzniku ztrát v železe (magnetických ztrát) je spojena se strukturou a kvalitou použitých materiálů, ze kterých se vyrábí jádro transformátoru. Příčinou těchto ztrát je ztracená energie při přemagnetování magnetického obvodu, které vzniká v důsledku přítomnosti dvou vnitřních procesů: hysterezní ztráty a ztráty vířivými proudy.[4]

Obr. 2. Hysterezní křivka magneticky měkkých a tvrdých materiálů [5]

Hysterezní ztráty jsou úměrné obsahu hysterezní smyčky a jsou lineárně závislé na kmitočtu. Pro snížení těchto ztrát je vhodné použití materiálu s úzkou hysterezní smyčkou, označovaný jako magneticky měkký, protože plocha příslušné hysterezní smyčky odpovídá energii potřebné na přemagnetování jednotkového objemu. Ztráty vířivými proudy jsou způsobeny nerovnoměrným rozložením proudové hustoty po průřezu vodiče v důsledku skinefektu a jsou úměrné druhé mocnině kmitočtu. Ztráty vířivými proudy můžeme zmenšit zvětšením vlastního měrného elektrického odporu materiálu. Toho dosáhneme například přidáním křemíku do základního materiálu. Největší rezistivitu má křemíková ocel při obsahu 11 % Si. Tato ocel je však velice křehká a tvrdá a je pro výrobu nepoužitelná. V praxi se používají plechy s obsahem křemíku 3,5 až 4,6 %. Vyšší zastoupení křemíku vede k nižším magnetickým ztrátám. Zvýšení elektrického odporu docílíme také prodloužením dráhy vířivým proudům a současným zmenšením průřezu. Toho se docílí složením jádra transformátoru z tenkých plechů, navzájem izolovaných. Jako izolace se používal nejprve papír, dnes se plechy lakují nebo se používají chemické vrstvy. Tenčí vrstvy jsou výhodnější, neboť požadujeme co největší činitel plnění železa.

Plechy jsou charakterizovány ztrátovým číslem (měrnými ztrátami), které udává energii spotřebovanou na magnetizaci v 1 kg materiálu při frekvenci 50 Hz a při magnetické indukci 1 T popř. 1,5 T. Magnetická kvalita a praktická využitelnost křemíkové elektrotechnické oceli závisí nejen na obsahu křemíku, tloušťce plechu, ale také technologii jeho výroby. Výrobci udávají v katalogových listech magnetizační charakteristiky, ze kterých se při výpočtech odečítají skutečné hodnoty intenzity, nebo indukce. 

Obr. 3 Magnetizační charakteristika transformátorových plechů [5]

Často používané jsou plechy válcované za tepla, které jsou izotropní z hlediska magnetických vlastností. Tyto plechy jsou nejlevnější na výrobu, ale jsou drsnější na povrchu, takže mají horší činitel plnění. Plechy se válcují na tloušťku 0,35, 0,5 nebo 1 mm a jejich měrné ztráty se pohybují od 1,3 do 3,6 W/kg. Druhou skupinou jsou plechy válcované za studena, orientované. Takový materiál má výrazně lepší vlastnosti v jednom směru, a to ve směru válcování. V tomto směru klesnou měrné magnetické ztráty na 0,7 až 0,4W/kg. Tloušťka plechů je obvykle 0,5 nebo 0,35 mm.

Třetí skupinou jsou plechy z amorfní oceli. Jedná se o poměrně nový materiál. Technologie amorfních plechů je založena na metodě rychlého ochlazení tekutého kovu, která umožňuje vyrábět pásy o tloušťce několika desítek mikronů, řádově 0,02 mm a ve srovnání s doposud nejlepší ocelí pro elektrotechniku mají tyto pásy jen třetinové ztráty. Rychlým ochlazením, vznikne z tekutého amorfního materiálu materiál pevný. K ochlazení dochází na rotujícím válci, na který je nanášen tekutý kov, z něhož vznikne amorfní struktura s velmi odlišnými vlastnostmi v porovnání s typickými kovovými krystalickými látkami. Amorfní magnetické materiály se vyznačují vysokou permeabilitou a mají nízkou magnetickou anizotropii. Produkty z těchto materiálů mají mnohem menší ztrátový výkon. Pro distribuční transformátory se používají amorfní slitiny na bázi Fe a vyznačují se vysokými hodnotami indukce nasycení Bs při současně nízkých ztrátách. Tyto materiály mají extrémně nízké magnetizační ztráty 0,16 W/kg (při frekvenci 50 Hz a Bmax 1,45 T). V porovnání s magneticky orientovanými plechy mají tedy amorfní magnetické materiály významně nižší měrné ztráty naprázdno. Vzhledem ke specifickým vlastnostem těchto plechů je potřeba použití speciálního designu.

Minimálního zkreslení magnetického toku v přechodových oblastech jádra se dosahuje optimalizací střihu jádrových plechů a vzorem jejich překrývání. Plechy jádra jsou nejprve řezány pod úhlem 45°, což umožňuje maximální průtok magnetického toku ve směru válcování, taková cesta toku je preferovaná z důvodu nejnižších ztrát. Poté jsou plechy skládány ve vzájemném přesahu, a to buď po jednom, anebo po skupinách. Vzájemné skládání plechů se vzájemným přesahem přináší další výhody v podobě nižších ztrát a nižší hladiny akustického tlaku.[6]

Pokud bychom chtěli zjistit magnetické ztráty měřením, transformátor je při něm napájen do primárního vinutí jmenovitým napětím a současně má všechny ostatní svorky rozpojeny čili bez zátěže (říkáme jim také ztráty naprázdno). Činný proud vstupního vinutí je tedy spotřebován na ztráty naprázdno a můžeme je z něj snadno spočítat. [3]