Výpočet transformátora - BEZ Transformátory

Viete, ako si vypočítať potrebný transformátor? Správny výpočet je totiž základom pre jeho spoľahlivú prevádzku, dlhú životnosť a vysokú účinnosť. Aby fungoval optimálne, musíte presne poznať jeho transformačný pomer, výkon, účinnosť i straty. Je však dôležité porozumieť základným vzťahom, ktoré stoja za samotnými výpočtami, či už ide o určenie počtu závitov, napätia vinutí, alebo výkonných parametrov. Prinášame vám preto praktický návod, v ktorom krok za krokom vysvetlíme, ako na výpočet transformátora a ako vypočítať základné parametre transformátora od transformačného pomeru až po účinnosť a straty.

Základné pojmy pred výpočtom transformátora

Skôr než sa pustíme do samotného výpočtu transformátora, je dôležité porozumieť niekoľkým základným pojmom a vzťahom, ktoré určujú jeho správanie.

Napätie primárneho a sekundárneho vinutia

Transformátor má dve hlavné časti. Primárne vinutie, na ktoré sa pripája vstupné napätie U1, a sekundárne vinutie, z ktorého sa odoberá výstupné napätie U2. Pomer medzi týmito dvoma napätiami určuje tzv. transformačný pomer (prevod), ktorý je základným parametrom každého transformátora:

Ak U1>U2, ide o znížovací (napäťový) transformátor.
Ak U1<U2, hovoríme o zvyšovacom transformátore.

Prúd a výkon transformátora

Prúd v primárnom vinutí označujeme I1 a v sekundárnom vinutí I2. Pre ideálny transformátor platí, že výkon na vstupe a výstupe je rovnaký. V reálnom transformátore sa však časť výkonu stratí v dôsledku tepelných a magnetických strát, preto je výstupný výkon vždy o niečo menší než vstupný.

Účinnosť transformátora

Účinnosť (η) vyjadruje, ako efektívne transformátor premieňa energiu. Definuje sa ako pomer výstupného a vstupného výkonu: η = P_out/P_in× 100 %. Kvalitné transformátory, ako sú tie vyrábané spoločnosťou BEZ TRANSFORMÁTORY, dosahujú účinnosť 98 – 99 %, čo znižuje prevádzkové náklady a tepelné zaťaženie.

Straty v transformátore

Straty môžeme rozdeliť na dve hlavné skupiny:

Straty naprázdno (v železe) vznikajú v jadre transformátora v dôsledku magnetických javov (hysterezné a vírivé prúdy).
Straty nakrátko (vo vinutiach) sú spôsobené odporom vinutí, pri ktorom sa časť energie mení na teplo.

Presný výpočet strát transformátora je dôležitý pre určenie jeho účinnosti, chladiaceho výkonu a ekonomickej prevádzky.

Typy transformátorov podľa použitia

Pred samotným výpočtom je potrebné poznať aj účel transformátora, pretože od neho závisí spôsob výpočtu:

Jednofázové transformátory sú bežné v menších zariadeniach a napájacích zdrojoch.
Trojfázové transformátory sa používajú v energetike a priemysle.
Meracie transformátory sú určené na presné merania prúdu alebo napätia.
Výkonové transformátory prenášajú vysoké výkony v elektrických sieťach.

Tieto pojmy predstavujú základ, bez ktorého by výpočet transformátora nebol presný ani zrozumiteľný.

Výpočet transformačného pomeru

Jedným zo základných parametrov, ktoré určujú správanie transformátora, je transformačný pomer. Tento pomer udáva, koľkokrát sa zmení napätie medzi primárnym a sekundárnym vinutím.

Transformačný pomer (k) sa určuje podľa vzorca: k = U₁/U₂ = N₁/N₂, kde:

U₁ = napätie na primárnom vinutí (V)
U₂ = napätie na sekundárnom vinutí (V)
N₁= počet závitov primárneho vinutia
N₂= počet závitov sekundárneho vinutia

Tento vzťah ukazuje, že pomer napätí je rovnaký ako pomer počtu závitov. Ak teda napríklad chceme napätie znížiť desaťnásobne, sekundárne vinutie musí mať desaťkrát menej závitov než primárne.

Použitie výpočtu transformačného pomeru v praxi

Výpočet pomeru pomáha určiť počet závitov vinutí a prierez jadra. Overením transformačného pomeru možno zistiť, či je zariadenie v poriadku, alebo má poškodené vinutie. Moderné softvéry a online kalkulačky umožňujú rýchlo určiť správny transformačný pomer aj bez manuálnych prepočtov.

Takmer všetky transformátory disponujú aj prepínačom odbočiek, ktoré vám umožňujú meniť napätie na primárnej strane, štandardne v rozmedzí -5 % až +5 %. Zmenou odbočky dokážete zachovať konštantné napätie sekundárneho napätia. Takáto regulácia môže byť v stave bez napätia (off load) alebo v stave pod napätím (on load). Transformátory s prepínačom odbočiek pod napätím OLTC sa inštalujú na miesta s častými zmenami napätia na primárnej strane. Vplyvom obnoviteľných zdrojov zapojených do distribučných sietí dopyt po týchto transformátoroch stále narastá.

Odporúčanie odborníkov z BEZ TRANSFORMÁTORY

Pri návrhu alebo kontrole transformátora vždy porovnávajte vypočítaný transformačný pomer s menovitými údajmi na štítku. Odchýlky môžu signalizovať opotrebovanie alebo chybu vo vinutí.

Výpočet výkonu transformátora

Výkon transformátora určuje, aké množstvo elektrickej energie dokáže zariadenie preniesť z primárneho obvodu do sekundárneho bez nadmerného zahrievania alebo strát. Tento parameter je rozhodujúci pri návrhu aj výbere vhodného transformátora pre konkrétne použitie.

Základný vzťah pre zdanlivý výkon transformátora je S = U × I, kde:

S = zdanlivý výkon (VA alebo kVA)
U = napätie (V)
I = prúd (A)

Tento vzorec vyjadruje výkon jednej fázy. Pre trojfázový transformátor sa výkon počíta nasledovne: S = 3 × U × I

Výsledok sa najčastejšie udáva v kilovoltampéroch (kVA), čo predstavuje menovitý výkon transformátora.

Ako určiť potrebný výkon transformátora

Pri návrhu alebo výbere transformátora je potrebné zohľadniť:

súčet výkonov všetkých pripojených zariadení,
rezervu výkonu: odporúča sa navýšiť menovitý výkon o 10 – 20 %,
charakter zaťaženia: trvalé, prerušované alebo nárazové,
účinník a prevádzkové podmienky (napr. teplota prostredia, chladenie).

Pri rozhodovaní o výkone zhodnoťte účinnosť, nakoľko svoju najvyššiu účinnosť transformátory dosahujú pri zaťažení v rozmedzí 40 – 60 % nominálneho výkonu.

Správne zvolený výkon zabezpečí stabilnú prevádzku a minimalizuje tepelné namáhanie vinutí. Výkon transformátora je kľúčový parameter, ktorý ovplyvňuje jeho veľkosť, hmotnosť aj prevádzkovú účinnosť. Preto je dôležité vykonať presný výpočet transformátora už v návrhovej fáze a overiť ho praktickým meraním alebo softvérovou simuláciou.