Ztráty a tepelná bilance transformátorů

Všeobecně

Transformátor představuje zařízení pro přenos energie, při čemž je energie přenášena ze vstupního (primárního) vinutí do výstupního (sekundárního) vinutí přes magnetické jádro. Přijatá energie střídavého proudu je předávána ve formě střídavého magnetického toku do feromagnetického jádra. Odtud se díky změnám velikosti a směru indukuje napětí do sekundárního vinutí. Při tom vznikají ve vinutí a v jádru ztráty, které ovlivňují účinnost a výkon transformátoru.

Ztráty

Pokud je transformátor připojen k napájení a je bez zátěže (naprázdno) vznikají v důsledku stálého přemagnetování v taktu síťové frekvence (50/60 Hz) stálé ztráty v železe. Ty tvoří přibližně ztráty naprázdno.

Ztráty ve vinutí (ztráty v mědi) jsou závislé na zátěži a zvětšují se s druhou mocninou protékajícího proudu. Rozhodující je procházející proud případně zdánlivý výkon (činný výkon ku cos φ) z připojené zátěže.

Tepelné chování

Ztráty představují pro uživatele nechtěný vývoj tepla. Existují různé možnosti jak brát v úvahu optimalizovaný vliv na ztráty a tím na tepelné chování transformátoru. Kvalitní transformátor by se při použití různých tříd izolace neměl oteplovat na víc než na 40 až 60°K. Třída izolace (např. označená jako E=115°C, B=120°C, F=140°C a H=175°C) stanovuje maximální přípustnou ustálenou teplotu transformátoru včetně vlivu teploty okolního prostředí.

Poznámka: Třída izolace nepředstavuje skutečnou teplotu, kterou transformátor skutečně dosahuje v běžném provozu. Mnohdy jsou však při výrobě transformátorů použité materiály z cenových důvodů optimalizovány a transformátory dosahují vyšších provozních teplot. Často je pak nutno použít vyšší třídy izolace. Vyšší třída izolace např. H nepředstavuje nutně lepší kvalitu transformátoru, spíše představuje vysoké ztráty, vyšší provozní teplotu a vyšší úbytek napětí.

Body pro optimalizaci: 

  • Použití vysoce kvalitních plechů na jádro se střídavým zaplechováním
  • Izolované šrouby na stažení jádra
  • Nevhodné technologické postupy při výrobě jako svařování jádra nebo automatické zaplechování lisem mají za následek špatnou účinnost
  • Brát v úvahu dostatečnou rezervu indukčnosti pro dosažení linearity ztrát v železe při jmenovitém napětí (dle IEC 38 ± 10%) a tím dosažení vysoké stability výstupních parametrů
  • Optimální rozptylové pole dosažené dobrým magneticky a mechanicky těsným přiléháním železných plechů v jádře a vhodnou polohou vinutí
  • Přínosem pro snížení tepelných ztrát při zatížení a zvýšení mechanické pevnosti je použití plochých vodičů. Výsledkem jsou lepší elektrické vlastnosti (ΔU, Uout, Uk, Ik, L, atd).

Poznámka: Velikost tepelných ztrát a povrchovou teplota různých transformátorů stejného výkonu není možno navzájem srovnávat. Mnohdy je výhodnější vysoce kvalitní, mechanicky menší transformátor s lepšími tepelnými ztrátami při poněkud vyšší povrchové teplotě.

Závěr

Pro určitý typ transformátoru (např. pro přístrojový transformátor 2500VA) mohou úspory tepelných ztrát při správné optimalizaci parametrů dosáhnout 50W a více. To představuje při celoročním provozu úsporu 438kWh/rok. Při ceně např.
4,30 Kč/kWh je to 1.883,40 Kč za rok Vezmeme-li v úvahu navíc i dodatečné náklady na případná potřebná opatření pro odvod tepla z rozvaděče, dojdeme k závěru, že použité priority, týkající se co nejnižší ceny na úkor kvality a dosažení úspor energie, budeme muset přehodnotit.

(Zpracováno podle Franka Hanische, firma Michael Riedel, Transformatoren s.r.o.)