0Prevodový transformátor s podvojným vinutím má výstupné vinutie navinuté v dvoch sekciách, pričom jedna z nich má vyvedené odbočky. Výstupné vinutia sú spojené paralelne, pričom výkon odoberaný na jednej z odbočiek zodpovedá plnému prúdovému zaťaženiu obidvoch sekcií. To umožňuje úplné využitie týchto vinutí pri zaťažení transformátora z ľubovoľnej odbočky.

Súčasne zväčšuje počet kombinácií zapojení týchto vinutí oproti možnostiam prevodového transformátora s jedným výstupným vinutím. Regulačný transformátor s podvojným vinutím má výstupné vinutie navinuté v dvoch vrstvách, pričom vodivá plocha hornej vrstvy je dostupná pre pohyblivý zberač, spodná vrstva počtom závitov a prierezom zhodná s hornou vrstvou je k hornej vrstve zapojená paralelne. Svojimi vlastnosťami a parametrami je rovnocenný s regulačným transformátorom s jednovrstvovým výstupným vinutím. Jeho hmotnosť a rozmery sú nižšie. Výroba takéhoto regulačného transformátora je jednoduchšia a rentabilnejšia.

Zdroj skokovo nastaviteľného napätia

V automatizačnej technike, sú však často aj v bežnej technickej praxi používané transformátory s možnosťou pripojenia na viacero voliteľných výstupných napätí, t. j. ako zdroj skokovo nastaviteľného napätia pri danom prúdovom zaťažení. Takéto transformátory sú konštruované ako zariadenia s feromagnetickým jadrom plášťovým, stĺpcovým, alebo v tvare toroidu. Z hľadiska spôsobu odvádzania výstupného elektrického výkonu sú obvykle riešené tak, že výstupné vinutie tvorí jeden celok tvoriaci navinuté výstupné vinutie v jednej, alebo viacerých vrstvách. Takéto vinutie má aj jednu alebo viacero odbočiek, aby bola možnosť odberu výstupného výkonu aj pri nižších napätiach. Uvedené riešenie je veľmi často používané, má však okrem výhod (jednoduchej výroby) aj mnohé nedostatky. Je to predovšetkým málo možností odberu energie pri rôznych napätiach. Napríklad výstupné vinutie s jednou odbočkou poskytuje iba tri možnosti voľby výstupného napätia. Pridávanie viacerých odbočiek zvyšuje výrobné náklady (prácnosť), zhoršuje koeficient plnenia cievky v jadre transformátora, čo vedie k jeho zväčšovaniu a tým aj k ďalšiemu zvyšovaniu výrobných nákladov.

Problémy výroby

Pri výrobe transformátorov je niekedy technologickým problémom navinutie výstupného vinutia, hlavne vtedy, keď má jeho vodič obdĺžnikový tvar s pomerne veľkým prierezom (pásový vodič). Nutnosť použiť pásový vodič vyplýva z požiadavky navinutia plného počtu závitov výstupného vinutia v jednej alebo viacerých vrstvách. Vtedy vznikajú problémy tvarovaním vodiča a jeho uložením v príslušnej vrstve. Navíjanie takéhoto vinutia si vyžaduje veľkú zručnosť pracovníka a niekedy aj použitie špeciálnych prípravkov. Kostra takejto cievky musí byť obvykle v tvare trubky, čo si následne vyžaduje použitie jadra stupňovitého tvaru. Dôsledkom toho je zložitý tvar jadra s väčším sortimentom použitých rezov plechu. Produktivita výroby je v dôsledku toho nízka, prácnosť vysoká a aj náklady na výrobok sú pomerne vysoké.

Prevodový transformátor s podvojným výstupným vinutím

Uvedené nedostatky odstraňuje technické riešenie, ktorého podstata spočíva v tom, že transformátor s podvojným výstupným vinutím má výstupné vinutie navinuté vo forme dvoch samostatných a identických vinutí, pričom odbočka (resp. odbočky) sú vyvedené iba z výstupného vinutia vonkajšieho. Vnútorné (spodné) výstupné vinutie je počtom závitov a prierezom zhodné s vonkajším výstupným vinutím. Prierezy vodičov obidvoch výstupných vinutí sú dimenzované na polovičný menovitý prúd a tým aj prierezy vodičov ich vinutí sú polovičné. Obidve výstupné vinutia majú začiatky a konce vinutí vyvedené na samostatné svorky.

Pri podvojne zapojených výstupných vinutiach je svorka začiatku výstupného vnútorného vinutia spojená so svorkou začiatku výstupného vonkajšieho vinutia. Tvoria tak svorku začiatkov výstupných vinutí. Svorka konca výstupného vinutia vnútorného je spojená so svorkou konca výstupného vinutia vonkajšieho. Tvoria tak svorku koncov výstupných vinutí. Z výstupného vinutia vonkajšieho je vyvedená odbočka (odbočky) ukončená príslušnou svorkou, ktorá spolu s niektorou zo svoriek začiatkov (koncov) výstupných vinutí tvorí dvojicu výstupných svoriek transformátora s podvojným výstupným vinutím. Pri takomto usporiadaní výstupných vinutí dochádza k tomu, že vnútorná cievka výstupného vinutia transformátora sa prejavuje svojím napäťovým účinkom tak, ako keby existovala ďalšia (virtuálna) odbočka z vnútorného, výstupného vinutia v tej istej polohe (počte závitov) ako skutočná odbočka vystupujúca z cievky vonkajšieho výstupného vinutia transformátora.

Výsledným efektom je skutočnosť, že z takéhoto transformátora je odoberané napätie dané polohou (počtom závitov) odbočky a odoberaný prúd je daný súčtom (plôch) prierezov vodičov (výstupného vinutia vonkajšieho i vnútorného)
násobeným dovolenou prúdovou hustotou. Na obr. 1 je znázornený princíp technického riešenia vo forme konkrétnej funkčnej schémy transformátora s podvojným výstupným vinutím. Význam jednotlivých veličín a označení je nasledujúci:

1 
Obr. 1: Funkčná schéma prevodového transformátora s podvojným výstupným vinutím

I1 – celkový prúd vstupného vinutia transformátora,
I2 – celkový výstupný prúd transformátora,
I21 – výstupný prúd transformátora prechádzajúci celou vrstvou výstupného vinutia vnútorného a sekciou CB cievky výstupného vinutia vonkajšieho (tam tečie v opačnom smere),
I22 – výstupný prúd transformátora prechádzajúci sekciou AB výstupného vinutia vonkajšieho,
N21 – počet závitov výstupného vinutia vnútorného (transformátora),
N22 – počet závitov výstupného vinutia vonkajšieho (transformátora),
Uxx – napätie na vyznačenej príslušnej časti vinutia.

Pre jednotlivé veličiny na výstupných vinutiach regulačného transformátora platí:

U2 = U21 + U22 (1)
U22 = U2 – U21 (2)
I2 = I21 + I22 (3)
I21 = I22 (4)
N21 = N22 (5)

Ak je záťaž pripojená k výstupným svorkám pripojeným k bodom A a B, bude ňou pri napätí U22 prechádzať prúd I2. Vzťah (2) je v prípade cievky výstupného vonkajšieho vinutia jednoznačne platný a fyzikálne realizovateľný. V prípade cievky vnútorného výstupného vinutia je zrejme, že napätie medzi svorkami pripojenými k bodom A a C bude na úrovni U2. Celkový napäťový účinok tejto cievky vo vzťahu ku svorke B je znížený o úroveň U21, nakoľko smer prúdu I21 vo vonkajšej cievke výstupného vinutia je opačný, ako prúd I21 v cievke vnútorného výstupného vinutia.

U22 = U22 + abs(U21).sign(I21S) + abs(U21).sign(I21H) = U22 + U21– U21 (6)

kde sign (I21H) je znamienko prúdu I21 vo vrstve vinutia vonkajšej výstupnej cievky, sign (I21S) je znamienko prúdu vo vinutí vnútornej výstupnej cievky, pričom platí:

sign(I21H) = sign(I21S) (7)
abs(I21H) = abs(I21S) (8)

V dôsledku uvedených skutočnosti sa bude vnútorná cievka výstupného vinutia transformátora prejavovať svojím napäťovým účinkom vyjadreným vzťahom (6), v súlade zo vzťahmi (7) a (8) tak, ako keby existovala ďalšia (virtuálna) odbočka B vystupujúca z výstupného vinutia vnútorného, v tej istej polohe ako skutočná odbočka z cievky výstupného vinutia vonkajšieho transformátora. Na obr. 2 je znázornený ten istý transformátor ako na obr. 1, iba namiesto spojovacích uzlov A a B z obr. 1 sú na obr. 2 vývody výstupných vinutí N21 vyvedené na svorky 13, 15 a N22 na svorky 3 a 5. Odoberateľným spojom 11 sú spojené svorky 3 a 13 a odoberateľným spojom 12 sú spojené svorky 5 a 15. Takto spojené svorky plnia úlohu uzlov A a B z obr. 1 a taktiež výstupných svoriek 3 a 5. Zapojenie podľa obr. 2 umožňuje okrem podvojného zapojenia výstupných cievok (znázornené na obr. 2) zapojiť cievky aj sériovo, paralelne a voľne. Výsledkom je 8 možných rôznych voliteľných hodnôt výstupného napätia transformátora.

2 
 Obr. 2: Funkčná schéma prevodového transformátora s podvojným výstupným vinutím

Svojimi vlastnosťami a parametrami je takto riešený transformátor rovnocenný s transformátorom s jednocievkovým výstupným vinutím. V dôsledku maximálneho využitia unifikovaných dielcov a uplatnením podvojného (dvojcievkového) výstupného vinutia možno dosiahnuť malú hmotnosť a geometrické rozmery výrobku, v porovnaní s pôvodným jednocievkovým parametricky ekvivalentným funkčným vzorom. Výroba transformátora podľa navrhovaného riešenia je jednoduchšia a rentabilnejšia. Vodiče výstupných cievok majú malý pomer medzi šírkou a hrúbkou použitého hranatého vodiča. Ten môže dosahovať aj hodnotu 1, t. j. možno navíjať výstupné vinutia so štvorcovým (alebo guľatým) profilom vodiča. To umožňuje navíjanie výstupného vinutia na unifikované štvorhranné kostry cievok s relatívne nízkymi nárokmi na pracovne výkony.

3 
 

Náklady na výrobu transformátorov podľa navrhovaného riešenia sú z týchto dôvodov nižšie ako náklady na pôvodný, konvenčne riešený výrobok. Navrhované riešenie je aplikovateľné pre stĺpcové, viacstĺpcové (plášťové, jadrové) i toroidné tvary jadier transformátorov. Transformátory podľa navrhovaného riešenia sú z hľadiska možnosti voľby výstupného napätia univerzálnejšie. Konvenčný transformátor s jednou odbočkou z výstupného vinutia poskytuje možnosť odberu troch napätí. Transformátory podľa navrhovaného riešenia s jednou odbočkou z výstupného vinutia vonkajšieho poskytujú možnosť odberu minimálne ôsmich napätí.

Náklady na výrobu transformátorov podľa navrhovaného riešenia sú nižšie

Technické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou obrázkov 1 a 2, ktoré zobrazujú funkčnú schému transformátora s podvojným výstupným vinutím, obr. 3 (horný) znázorňuje celkové usporiadanie funkčných časti zariadenia. Transformátor s podvojným výstupným vinutím je tvorený feromagnetickým jadrom 1 s izolačnou kostrou cievky 7, na ktorej je navinuté vstupné vinutie 2 s izolačnou vrstvou 6. Začiatok 15. vstupného vinutia 2 je pripojený na svorku 14 a koniec 16. vstupného vinutia 2 je pripojený na svorku 13. Transformátor s podvojným výstupným vinutím má navinuté výstupné vinutie 3 vnútorné s izolačnou vrstvou 5 a výstupné vinutie 4 vonkajšie, pričom z tohto vinutia vedie vývod odbočky 19 na svorku 10. Začiatok 21. výstupného vinutia 3 vnútorného je spojený so svorkou 11, začiatok 20. výstupného vinutia 4. vonkajšieho je spojený so svorkou 12. Koniec 9. výstupného vinutia 4. vnútorného je spojený so svorkou 9 a koniec 8. výstupného vinutia 4. vonkajšieho je spojený so svorkou 7. Odoberateľný spoj 23 spája svorky 8 a 9 a odoberateľný spoj 22 spája svorky 11 a 12.

Pri takomto usporiadaní výstupných vinutí dochádza k tomu, že cievka výstupného vinutia 3. vnútorná transformátora sa prejavuje svojím napäťovým účinkom tak, ako keby existovala ďalšia (virtuálna) odbočka vystupujúca z výstupného vinutia 3. vnútorného, v tej istej polohe ako skutočná odbočka v cievke výstupného vinutia 4. vonkajšieho transformátora. Výsledným efektom je skutočnosť, že z takéhoto transformátora je odoberané napätie dané polohou odbočky a odoberaný prúd je daný súčtom (plôch) prierezov vodičov výstupného vinutia vonkajšieho i vnútorného pri danej dovolenej prúdovej hustote.

4 
 Obr. 3: Prevodový transformátor s podvojným výstupným vinutím, usporiadanie súčastí (význam položiek je v texte)
5 
 Obr. 4: Prevodový transformátor s podvojným výstupným vinutím, funkčný vzor

Funkčný vzor prevodového transformátora s podvojným výstupným vinutím bol navrhnutý na výkon 25 VA, s výstupným napätím 24 V, s odbočkami pre 12 V a 17 V, pri vstupnom napätí 230 V. Jadro transformátora bolo zložené z rezov plechov typu EI 12, šírka jadra 24 mm, prierez jadra 24x24 mm (hmotnosť cca 1 kg). Transformátor podľa uvedeného riešenia zodpovedá norme STN 615558-1. Pri skúškach preukázal predpokladané funkčné schopnosti a potvrdil možnosti jeho praktickej aplikácie. Vlastnosti a výhody riešenia boli plne potvrdené, meraniami napätí pri menovitom výstupnom prúde, zodpovedali teoretickým predpokladom a výpočtom. Možno ho použiť vo všetkých zariadeniach, kde je potrebné elektrické napätie v rôznych nastaviteľných hodnotách, pri možnosti odberu prúdu až do hodnoty určenej maximálnym výkonom transformátora a s maximálnym využitím použitého materiálu.

TEXT/FOTO MILAN BALARA, ALENA VAGASKÁ, STELLA HREHOVÁ, KATEDRA MATEMATIKY, INFORMATIKY A KYBERNETIKY, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ SO SÍDLOM V PREŠOVE, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH