B. llozprąduice i rozprądiiilu
IV. PRZETWORNICE I PRZETWORNIKI
1. Przetwornice.
Przetwornica, której zadaniem jest przetworzyć dany prąd lub pewną jego część na sprąd odmiennego napięcia, składa się zazwy
czaj z prądnika, napędzanego danym prądem i ze sprądnicy otrzy
mującej swój napęd od owego prądnika, a wytwarzającej sprąd po
żądanego napięcia. Ponajczęściej osie prądnika i sprądnicy są ze sobą bezpośrednio sprzęgnięte sprzęgłem, albo też nawet osadzamy obydwa tworniki na spólnej osi, kształtując w ten sposób całą prze
twornicę na jeden przyrząd nierozdzielny. Tego rodzaju przetworni
ce zwiemy dwutwornikowemi. Jeżeli natomiast dwa te tworniki złą
czymy w jeden, w którym się dany sprąd lub rozprąd przetwarza na sprąd pożądanego napięcia, otrzymamy przetwornicę jednotwor
nikową.
W przypadku, gdy mamy ze sieci sprądowej o danem napięciu otrzymać sprąd napięcia zmniejszonego, zaleca się przetwornica nie- dochłnnna, t. j. o sprądniku takim, który pochłania tylko różnicę napięcia pierwotnego i przetworzonego. Sprądnik i sieć nizkiego na
pięcia łączą się posobnie z krańcami sprądnicy pierwotnej, sama zaś sieć nizkiego napięcia przyłącza się nadto swymi, końcami do krań
ców sprądnicy przetworniczej.
2. Przetworniki *).
Przetwornik, którego zadaniem jest przetworzenie danego roz- prądu Qedno- albo wicloprądu) na rozprąd niższego lub wyższego napięcia, składa się z uzwojenia pierwotnego, z uzwojenia wtórnego i ze spólnego dla obydwóch rdzenia żelaznego. Rdzeń ten bywa zazwyczaj nie jednolity, lecz cząstkowany, a to w celu uniknięcia prądów wichrzących. Składamy go zazwyczaj z blach 0,35 do 0,5 mm grubych, porozdzielanych nawzajem od siebie warstewkami zoso- bniającemi, a nadajemy mu taki ustrój, aby opór magnetyczny w obwodach szlaków był możliwie jak najmniejszy. Odstępujemy jednakże poniekąd od tej zasady, stosując rdzenie rozjemne, a to w celu możności nakładania na nie gotowych zwojnic. Wynikająca z tej rozjemności konieczność styku na złączach części rdzenia zwiększa nieco opór magnetyczny, a pod tym względem zetknia prosta, aczkolwiek dogodniejsza w ustroju, bywa mniej korzystna od zetkni na zakładkę. Zetknia taka znajduje też prawie wyłączne zastosowanie w przetwornikach garnkowatych, posiadających naogół mniejszy opór magnetyczny, albowiem wobec tego, względnie nie
wielkiego oporu, opór zetkni prostej pogarszałby już dotkliwie prze- nikalność magnetyczną całego obwodu:
Pod względem ustroju rozróżniamy dwa rodzaje przetworników, a mianowicie garnkowate i jarzmowate, które różnią się nawzajem od siebie tylko kształtem zewnętrznej części, stanowiącej połączenie magnetyczne między obydwu biegunami rdzenia właściwego, czyli pieńka. W przetworniku jarzmowatym pieniek wraz ze swem połą
czeniem ma postać podobną do jarzma dwoistego, w przetworniku garnkowatym natomiast postać części stanowiącej połączenie, zbliża się raczej do garnka z pokrywą, w którym sterczy w pośrodku pie
niek, łączący dno garnka z pokrywą. Aby wedle możności zmniej
szyć długość pieńka, a więc w celu skrócenia obwodu magnetycz
nego, stosujemy, zwłaszcza w przetwornikach garnkowatych, zwoj
nice poosiowo możliwie krótkie, a natomiast szersze.
Wieloprąd możemy przetwarzać zasadniczo w sposób' dwojaki:
Stawiamy w obwód każdej fazy po jednym przetworniku zwykłym, a otrzymane fazy wtórne kojarzymy ponownie ze sobą. Zamiast tego możemy też stosować swoiste przetworniki wieloprądowe, któ
rych rdzenie kojarzą się nawzajem ze sobą w sposób właściwy.
Zwłaszcza na przetworniki większe stosujemy dogodniej pierwszy z powyżej wspomnianych ustrojów, jako w zasadzie prostszy, a za
pewniający nadto w razie uszkodzenia jednej z faz, możność praco
wania pozostałemi.
Napięcie prądotwórcze E przetwornika wyrażamy w woltach, dla sinusoidalnego przebiegu prądu, wzorem:
2 ii 1 „ f h — —— --- B a t p ,
1/ 2-1 0»
IV. Przetwornice i przetworniki. 8 5 5
*) G. K app, T ra n sfo rm a to ren fü r W echselstrom u nd D re h s tro m ; B erlin u J . S p rin - ger'a.
w którym t oznacza ilość zwojów w uzwojeniu pierwotnem, wzglę
dnie we wtórnem, zależnie od tego, które z tych napięć wzór ma określić; pozostałe zaś oznaczenia wzoru powyższego są te same, jakie podaliśmy na str. 847. Wzbudzenie, wywołujące dąż magne
tyczny Jiq, jest wynikiem dwóch wzbudzeń, t. j. wzbudzenia od prądu pierwotnego i od prądu wtórnego. Dwa te wzbudzenia są nawzajem względem siebie rozsunięte prawie o 180° przy pełnym wyłonię przetwornika, a o przeszło 90° nawet podczas pracy ja łowej. Dwie ilości amperozwojów, wiodących rozprądy (względem sie
bie przesunięte), składamy ze sobą podług wskazówek, podanych na str. 838 i nast.
Jeżeli zaniedbamy uporność żelaza i usmyk magnetyczny, oraz jeżeli fale napięcia i wielkości prądu wtórnego będą nierozsunięte, to możemy przedstawić przebieg przetwarzania w sposób podany w rys. 1227, w którym i x ozna
cza wielkość ■ prądu pierwotnego, i2 zaś wtórnego, przy pełnym wyłonię, a i, ilość zwojów pierwot
nych, /2 wtórnych. Napięcie prądotwórcze, co do swej fali, jest o 90° przesunięte względem pola wzbudzonego. A ponieważ założyliśmy nadto, że wielkość prądu wtórnego zlewa się swą falą z falą napięcia wtórnego, czyli wznieconego przez pole, więc w wykresie musi być *2, a zatem też f2i2, Pr0‘
stopadłe do dążu magnetycznego Bq. Znając w ten sposób obydwa kierunki B q i /2 !2, składamy ze sobą, na zasadzie równoległoboku sił, znane co do swej wielkości amperozwoje f2<2 i 4 h , z uwzglę
dnieniem tak ich wielkości jak i kierunku. Ich wy
nikowa 0 1 starczy do oznaczenia wzbudzenia I i, które, a więc i wartość Bq, bez względu na od
byt, pozostaje niezmienne, dopóki nie zmienimy międzykrańcowego napięcia pierwotnego. Linie krop
kowane w rys. 1227 przedstawiają zatem ilość am
perozwojów rozprądu pierwotnego, przynależną do poszczególnych wyłonów i 2, odciętych z 0 na ?2i2, lecz w postaci amperozwojów. Wielkość 01, jako przynależna do wartości t2 i2 = 0, przedstawia zatem ilość amperozwojów pierwotnych podczas pracy ja łowej.
Wskutek uporności żelaza fala jego wzbudzenia przesuwa się, względnie do natężenia pola, a uwzglę
dniając tę uporność, otrzymamy wykres przedsta
wiony w rys. 1228. Wynikową ilość amperozwojów
0 2 możemy rozłożyć na dwie składowe, z których 0 1 wzbudza pole, druga zaś, (t. j. h —1-2), przezwycięża uporność
magnetyczną żelaza. Wymiarkę, w której mierzyć mamy uporność h, należy tak dobrać, aby stosunek h : ?2<2 był równy stratności prze
twornika od uporności przy pełnym wyłonię, t. j. równy stosun
kowi mocy straconej wskutek uporności i całkowitej mocy, wydawa
8 5 6 Dział szosnaaty. — Elektrotechnika.
IV. Przetwornico i pretworniki. 8 5 7
R ys. 1229.
nej przez przetwornik, przyczem moce te najdogodniej wyrażać w watach.
Przy zaniedbaniu usmyku magnetycznego ważnem jest prawo:
N a p i ę c i a p r ą d o t w ó r c z e w u z w o j e n i u p i e r w o t n e m i wt ór - net n s t o j ą do s i e b i e w p r o s t y m s t o s u n k u i l o ś c i z w o j ó w w t y c h ż e u z w o j e n i a c h , czyli
Ei : E 2 — f, : f2 . Gdy się fale prądu wtórnego i jego napięcia prądotwórczego ze siebie roz
suną o kąt ip3, natenczas do określenia wzajemnych stosunków posłuży nam wy
kres przedstawiony w rys. 1229. Wbrew dotychczasowym znakowaniom, oznaczać obecnie będziemy przez: E 1, E , napię
cia prądotwórcze; , c2 napięcia między- krańcowe; 1\ , r2 opory omiczne; a wszyst
kie te wartości liczone dla jednego tylko zwoju pierwotnego, wzgl. wtórne
go. Natenczas E \ = E 2f gdyż napięcia prądotwórcze w poszczególnym zwoju pierwotnym i wtórnym muszą być sobie równe i posiadać jednakowy kierunek i dążność, albowiem powstają one oby
dwa pod wpływem zmian jednego i tego samego pola magnetycznego. Część wy
kresu : i, i , , i2 £21 0 1, 7i, i0 tl jest zgo
dna z rys. i228, z tą jedynie różnicą, że kresę ł2 f2 odcinamy nie na pionie, lecz na pochyłej, odpowiadającej kątowi rozsuwu (p2.
Pierwotne napięcie międzykrańcowe
<?! musi przezwyciężyć dwa napięcia, t.j.
prądotwórcze E l i napięcie i,r j , pochła
niane przez opór ri , a posiadające fa
lę spółczesną z prądem it ; w wykresie
R ys. 1230.
będzie zatem ¿j r l ii ti Trzy te na- «»•
pięcia: e1, i-, , oraz E l muszą tworzyć w wykresie trójbok zamknięty. Podobnie i dla prądu wtórnego otrzymamy trójbok zamknięty z napięć: E 2 (== Ą ), i2r2 ( ||
»2^2)1 oraz
e2-Wymiarka na ainperozwoje: i ltl , l2i2, i0tl , li 1 O l (w górnej części rys. 1229) może być inna niż wymiarka napięć
(dolna część tegoż rys.), lecz kresy ii oraz i2 \
w wymiarce napięć. Zataczając około O, jako środka, łuk koła promieniem e2, odetniemy na c, różnicę e, — c2 = <5, czyli stratę na
pięcia w przetworniku: w dobrych ustrojach prądochłonne napięcia, V 'i, wzgl. !'2i'2> bywają tylko 0,5 do 1,5% międzykrańcowego napię
cia pierwotnego, wzgl. wtórnego.
musimy odciąć
W rys. 1229 nie uwzględniono jeszcze dwóch czynników, a mia
nowicie usmyku magnetycznego i samowznictu. Usmyk magnetyczny przyczynia się bardzo do zwiększenia stratności napięcia (5 do 10% ), zwłaszcza przy wyłonię samowznietnym, lecz nie da się on uni
knąć.
W rys. 1230 przedstawiono dodatkowy wpływ samowznictu pierwotnego i wtórnego .?2. Ponieważ napięcie samowznietne mu
si być o 90° przesunięte względem prądu, który je wznieca, więc.
będzie: _J_ «,}•,, oraz s2 _|_ t , r , . W wykresie zamiast poprzednich, trójboków mamy teraz czworoboki zamknięte, a mianowicie: e ,, , st , B i, oraz E 2 ( = J?j), if2, i2r2, e.Ł. Dotkliwy wpływ znaczniejszych samowznietów », i na stratę napięcia uwydatnia się jasno w rys, 1230 przez znaczne zwiększenie straty <3, wzgl. do takiejże straty z rys. 1229.
Straty, W przetwornikach wypada rozróżniać stratność mocy od stratności napięcia: dwie te wartości bowiem różnią się od siebie nieraz bardzo znacznie.
Gdy sieć jest samomiarkowna, a pozbawiona samowznietu, strat
ność napięcia w przetworniku nie powinnaby przekraczać 2 % . Sa- mowznietność sieci powoduje znaczne zwiększenie tej stratności.
W przetwornikach istniejących możemy stratność napięcia dla rozmaitych ¡rozsuwów fal i wyłonów określić ze znanej wielkości prądu w skrótowanym nawoju wtórnym, posiłkując się wykresem Kapp’a (p. rys. 1224 str. 848): W skrót nawoju wtórnego włącza
my ampernik, poczem zwiększamy stopniowo napięcie pierwotne tak długo, dopóki ampernik nie wskaże nam pełnej wielkości prądu, na jaki zbudowano przetwornik. Niezbędne do tego napięcie pierwo
tne będzie drobną zaledwie cząstką tego, jakiem przetwornik ma zazwyczaj pracować: praca elektryczna, zużyta na doświadczenie, będzie zatem nieznaczna.
Napięcie pierwotne, pomierzone podczas doświadczenia, zmniej
szamy w stosunku ilości zwojów wtórnych i pierwotnych, a otrzy
mamy napięcie wtórne w nawoju skrótowanym, które odcinamy ja ko przeciwprostokątnię OD (rys. 1224), dostawiając do niej przy- prostokątnię CD, przedstawiającą stratę napięcia od oporu omiczne- go w tymże nawoju. Otrzymawszy w ten sposób trójkąt ODC, za
taczamy z punktów O i D, jako środków, dwa łuki koła promie
niem O A = D B t którego wielkość równa się napięciu wtórnemu przy rozemkniętym obwodzie i pełnem napięciu pierwotnem. Dla dowolnego rozsuwu <p i pełnej wielkości prądu wykres daje nam przynależną stratę F G , Dla prądów mniejszych możemy zakreślić podobne łuki kół tymże promieniem, lecz z punktów pośrednich, leżących na prze- ciwprostokątni OD, jako środków.
Strata na mocy, a więc i strata na pracy, składa się ze strat od uporności żelaza (str. 785), od prądów wichrzących (str. 819), wresz
cie ze strat na zagrzewanie pod wpływem oporu omicznego.
Sprawność dobrych przetworników, - przy pełnym wyłonię, wa- ha się w granicach 93 do 98% , a to w zależności od ich mocy (5 do 200 KW). Ze stratności ogólnej, mianowicie z 2 do 7 % ,
przy-8 5 przy-8 Dział szesnasty. — Elektrotechnika.
pada na straty od żelaza, a więc na łączne straty od upornośei i od prądów wichrzących 1 do 2 % , pozostałe zaś 1 do 5 % wynikają z oporu omicznego. W miarę zmniejszania się wyłonu z przetwor
ników, ich sprawność staje się względnie coraz to gorsza. Dlatego też średnia, całoroczna sprawność przetworników w sieciach oświe
tlenia bywa względnie bardzo mała, albowiem w tego rodzaju sie
ciach przetworniki pracują na pełen odbyt zaledwie po kilka go
dzin do roku.
W takich sieciach można średnio liczyć, że przetwornik wydaje rocznie ilość kilowatgodzin liczbowo zaledwie 600 razy większą od tej ilości kilowatów, na jaką jest zbudowany. Ponieważ strata od żelaza, a więc od upornośei i prądów wichrzących, jest zupełnie nie
zależna od odbytu i dosięga 2% , więc średnio można tę część stratności liczyć rocznie:
365 dni • 24 godzin _
600 godzin “ ’ Z®'
W elektrowniach świeżo zakładanych, nie posiadających zatem jeszcze pełnego odbytu, strata od żelaza dosięga 4.0°/oi a bywa nie
kiedy nawet wyższa. Okoliczność ta wpływa w wysokim stopniu na ilość zużywanego paliwa w elektrowniach: w celu zmniejszenia tych strat od żelaza należałoby zatem sieć projektować w ten spo
sób, aby na czas mniejszego odbytu, np. latem, można było wyłą
czać część przetworników ze sieci pierwotnej.
Niezbędna moc silników w elektrowni zależy jednak nie od śred
niej sprawności całorocznej, lecz od sprawności przy pełnym odby
cie ze sieci wtórnej.
Zagrzewanie się przetworników wymaga stosownych środków do ich ochładzania. W przetwornikach mniejszych starczy na to sama ich powierzchnia zewnętrzna, ochładzająca się samoczynnie, a po
trzeba po 20 do 25 cm2 takiej powierzchni chłodzącej na każdy wat tracony w przetworniku, przy pełnym jego wyłonię. We wię
kszych przetwornikach nie łatwo osiągnąć tak znaczne powierzchnie chłodzące i dlatego wypada przewietrzać je należycie, a gdy i to nie starczy, uciekamy się zazwyczaj do chłodzenia olejem.
3. Przetwornice trójprądu.
Do przetwarzania trójprądu na sprąd stosujemy w zasadzie trzy sposoby: 1) trójprądnik napędza sprądnicę; 2) wirnik trójprądnika oprócz swego właściwego uzwojenia posiada jeszcze uzwojenie dru
gie, a prądy, wzniecane w tem uzwojeniu dodatkowem, sprądnia do
dany przerządnik; 3) samo uzwojenie na wirniku trójprądnika na- dążnego jest zarazem niejako i uzwojeniem sprądnicowem (przetwor
nica jednotwornikowa). W tym przypadku stałka jest magneśnicą wzbudzaną sprądem, wirnik zaś jest twornikiem trójprądnika, zasila
nym przez trójprąd, który doprowadzamy do niego za pośrednictwem trzech pierścieni zdawnych, odprowadzamy zaś przez przerządnik
IV. Przetwornice i przetworniki. 8 5 9
w postaci sprądu. Przetwornice podobnego rodzaju możnaby też przystosować do sprądniania jednoprądów lub dwuprądów.
Takie przetwornice zyskują coraz to szersze zastosowanie, a to z powodu swej dobrej sprawności i niewielkich wymiarów. Przy wię- kszem napięciu sprądu jednakże częstotliwość rozprądu nie powinnaby być nadmierna, zmuszałaby ona bowiem do nadmiernego zbliżania wzajemnego zdaw przerządnikowych odwrotnej biegunowości, co znów mogłoby się stać powodem przebijania się sprądu między zda- wami. Przy napięciu sprądu na 500 V, częstotliwość drgawek roz
prądu nie powinnaby przekraczać znacznie liczby 25, czyli 50 prze
mian na sok.; przy napięciu sprądu 250 V natomiast zwykła często
tliwość drgawek, t. j. 50 na sek., czyli 100 przemian na sek., oka
zała się zupełnie odpowiednią.
Napięcie sprądu, wyłanianego z takiej przetwornicy, stoi w pe
wnym, dość ciasno ograniczonym stosunku do napięcia rozprądu, przez nią wchłanianego, a stosunek ten pozostaje w zależności od jej ustro
ju. W zastosowaniu do trójprądu stosunek ten napięcia trójprądu wchłanianego do napięcia sprądu wyłanianego bywa 0,65 do 0,71.
Wzbudzanie tego rodzaju przetwornic musi być miarkowne, aby módz je zmieniać stosownie do rozsuwu fal trójprądu, a to w celu zupełnego zesunięcia tych fal tak, aby było cos (p — 1.
Gdy chodzi o otrzymanie sprądu o napięciu, dającem się zmie
niać w szerokich granicach, to albo ustawiamy przetworniki dodat
kowe, za pomocą których zmieniamy napięcie trójprądu doprowa
dzanego do przetwornicy, albo też w obwód wyłanianego z niej sprądu włączamy posobnie prądnicę wzmożną lub przetwornicę, w celu podwyższenia napięcia. Możemy jednak i z jednej przetwor
nicy otrzymywać kolejno różne napięcia sprądu wyłanianego i to w sposób dwojaki: Na magnęśnicę nakładamy dodatkowo uzwojenie głównikowe, wytwarzając przez to wzbudzenie sprzężone, a sposób ten stosują zwłaszcza do tramwajów. Zamiast tego możemy też włączać oporce samowznietne w obwody trójprądu, doprowadzanego do przetwornicy jednotwornikowej, a to w celu stworzenia w nim rozsuwu: natenczas prądy bezmocne, powodując przeciwwzbudzanie twornikowe, osłabiają wzbudzenie w magneśnicy. Wyższe napięcie sprądu otrzymamy, wzmagając wzbudzenie, niższe żaś przez zmniej
szenie wzbudzenia magneśnicy.
W przetwornicach trójprądnikowo-sprądnicowych możemy trój
prądnik napędzać nawet Wysokiem napięciem, które natomiast wypa
da stosownie zmniejszyć przetwornikami, w razie zastosowania co dopiero opisanych przetwornic jednotwornikowych.
0 dozwolonem zagrzewaniu się, oraz o sposobach sprawdzania przetwornic p. „Prawidła, dotyczące oceny i sprawdzania prądnic i przetworników“, zawarte w oddzielnym zeszycie, dołączonym do tomu II Technika.
8 6 0 Dział szesnasty. — Elektrotechnika.
V. Przyłączanie prądnic do sieci, oraz ich miarkowanie. 8 6 1