Transformátor je elektromagnetické zařízení, které slouží k přeměně střídavého proudu jednoho napětí a frekvence na střídavý proud jiného (nebo stejného) napětí a stejné frekvence.
Obsah
Konstrukce a funkce transformátoru
V nejjednodušším případě Transformátor obsahuje primární vinutí s počtem vinutí W1 a sekundární s W2. Energie je přivedena na primární vinutí, zátěž je připojena k sekundárnímu vinutí. K přenosu energie dochází prostřednictvím elektromagnetické indukce. Pro zvýšení elektromagnetické vazby se vinutí obvykle montuje na uzavřené jádro (magnetické jádro).
Pokud je střídavé napětí U1je přiveden na primární vinutí, střídavý proud I1který v jádře indukuje magnetický tok F stejného tvaru. Tento magnetický tok indukuje v sekundárním vinutí EMP. Pokud je k sekundárnímu obvodu připojena zátěž, vzniká sekundární proud I2.
Napětí v sekundárním vinutí je určeno poměrem závitů W1 a W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, kde k transformační poměr.
Pokud k<1, pak U2>U1a takový transformátor se nazývá zvyšovací transformátor. Je-li k>1 , pak U2
Transformátor může mít více než jedno sekundární vinutí s různými transformačními poměry. Například transformátor na 220 V pro napájení žárovek pro domácnost může mít jedno sekundární vinutí, např. 500 V pro napájení anodových obvodů a 6 V pro napájení žárovkových obvodů. V prvním případě k<1, ve druhém případě k>1.
Transformátor pracuje pouze se střídavým napětím - aby v sekundárním vinutí vzniklo EMF, musí se měnit magnetický tok.
Typy jader pro transformátory
V praxi se používají jádra nejen uvedeného tvaru. V závislosti na zamýšleném použití zařízení mohou být magnetická jádra vyrobena různými způsoby.
Jádra
Jádra nízkofrekvenčních transformátorů jsou vyrobena z oceli s výraznými magnetickými vlastnostmi. Pro snížení vířivých proudů je jádro tvořeno jednotlivými deskami, které jsou vzájemně elektricky izolovány. Pro vysoké frekvence se používají jiné materiály, například ferit.
Výše popsané jádro se nazývá jádrové pole a skládá se ze dvou tyčí. U jednofázových transformátorů se používají také třížilová jádra. Mají nižší magnetický rozptylový tok a vyšší účinnost. V tomto případě je primární i sekundární vinutí umístěno na centrálním jádře.
Třífázové transformátory se vyrábějí také na třífázových jádrech. Primární a sekundární vinutí každé fáze je každé na samostatném jádře. V některých případech se používají pětijádra. Mají stejné uspořádání, primární a sekundární jádro na každé straně jádra, přičemž dvě krajní jádra na každé straně se používají k propojení magnetických toků při určitých operacích.
Pancéřová jádra
Jednofázové transformátory se vyrábějí s pancéřovými jádry - obě cívky jsou umístěny na středním jádru magnetického jádra. Magnetický tok v tomto jádře je spojen podobně jako u tříjádrové jednotky, tj. přes boční stěny. Rozptylový tok je v tomto případě velmi malý.
Výhodou této konstrukce je určitý nárůst rozměrů a hmotnosti díky možnosti hustěji vyplnit okno jádra vinutím, takže je výhodné používat pancéřová jádra pro transformátory s malým výkonem. Důsledkem toho je také kratší magnetický obvod, což vede ke snížení ztrát naprázdno.
Nevýhodou je, že vinutí jsou hůře přístupná pro kontrolu a opravu a izolace pro vysoké napětí je složitější na výrobu.
Toroidní
U toroidních jader je magnetický tok zcela uzavřen uvnitř jádra a prakticky nedochází k úniku magnetického toku. Tyto transformátory se však obtížně navíjejí, takže se používají jen zřídka, např. v regulovaných autotransformátorech malých výkonů nebo ve vysokofrekvenčních aplikacích, kde je důležitá odolnost proti rušení.
Autotransformátor
V některých případech je vhodné použít transformátory, u nichž jsou vinutí spojena nejen magneticky, ale i elektricky. To znamená, že v zařízení s krokovým zesilovačem je primární vinutí součástí sekundárního vinutí a v zařízení s krokovým zeslabovačem je sekundární vinutí součástí primárního vinutí. Takové zařízení se nazývá autotransformátor (AT).
Snižovací autotransformátor není pouhý dělič napětí - na přenosu energie do sekundárního obvodu se podílí také magnetická vazba.
Výhody autotransformátorů jsou:
- nižší ztráty;
- možnost plynulé regulace napětí;
- menší rozměry (autotransformátory jsou levnější, lépe se přepravují);
- Nižší náklady díky nižší potřebě materiálu.
Mezi nevýhody patří nutnost vyšší napěťové izolace obou vinutí a chybějící galvanické oddělení mezi vstupem a výstupem, které může přenášet účinky povětrnostních vlivů z primárního do sekundárního obvodu. Současně nesmí být uzemněny prvky sekundárního obvodu. Za nevýhodu AT se považují také zvýšené zkratové proudy. U třífázových autotransformátorů se vinutí obvykle zapojují do hvězdy s uzemněným nulovým vodičem, jiná schémata zapojení jsou možná, ale příliš složitá a těžkopádná. To je také nevýhoda, která může omezit použití autotransformátorů.
Aplikace transformátorů
Vlastnost transformátorů zvyšovat nebo snižovat napětí se hojně využívá v průmyslu i v domácnostech.
Transformace napětí
Průmyslová úroveň napětí má v různých fázích různé požadavky. Z různých důvodů není výhodné používat při výrobě elektřiny generátory vysokého napětí. Proto se například ve vodních elektrárnách používají generátory 6...35 kV. Naopak pro přenos elektřiny je zapotřebí vyšší napětí - od 110 kV do 1 150 kV v závislosti na vzdálenosti. Toto napětí je pak opět sníženo na 6...10 kV, rozvedeno do místních rozvoden, odkud je sníženo na 380(220) voltů a dodáno koncovému spotřebiteli. U domácích a průmyslových spotřebičů musí být rovněž snížena, obvykle na 3...36 V.
Všechny tyto kroky se provádějí pomocí ... výkonové transformátory. Ty mohou být suché nebo olejové. V posledním případě jsou jádro a vinutí umístěny v nádrži s olejem, který slouží jako izolační a chladicí médium.
Galvanické oddělení
Galvanické oddělení zvyšuje bezpečnost elektrických spotřebičů. Pokud jednotka není napájena přímo ze sítě 220 V, kde je jeden z vodičů spojen se zemí, ale přes transformátor 220/220 V, zůstává napájecí napětí stejné. Pokud se však zem a sekundární části, kterými protéká proud, dotknou současně, nevznikne žádný obvod, kterým by proud protékal, a riziko úrazu elektrickým proudem bude mnohem nižší.
Měření napětí
Ve všech elektrických instalacích je třeba sledovat úroveň napětí. Pokud se používá třída napětí do 1000 V, montují se voltmetry přímo na živé části. V instalacích nad 1000 V to není možné - zařízení by byla příliš těžkopádná a v případě poruchy izolace by nemusela být bezpečná. Proto jsou v takových systémech voltmetry připojeny k vodičům vysokého napětí prostřednictvím transformátorů s vhodným transformačním poměrem. Například pro sítě 10 kV se používají transformátory 1:100 a výstupní napětí je standardních 100 V. Mění-li se amplituda primárního napětí, mění se současně i v sekundáru. Stupnice voltmetru je obvykle odstupňována v rozsahu primárního napětí.
Transformátor je poměrně složitá a nákladná součástka na výrobu a údržbu. V mnoha aplikacích jsou však tato zařízení nepostradatelná a neexistuje k nim alternativa.
Související články:
