Konstrukce a princip činnosti transformátoru

Transformátor je zařízení, které umožňuje přeměnu elektrického napětí a proudu jedné velikosti na jinou pomocí jevu elektromagnetické indukce. Transformátory jsou široce používány v elektrotechnice, elektronice, přístrojové technice a dalších oborech.

V tomto článku se podíváme na hlavní typy, provozní principy a konstrukční vlastnosti transformátorů a také se seznámíme s některými praktickými příklady jejich použití.

K čemu jsou transformátory?

Elektrické transformátory se používají k přeměně elektrického napětí jedné velikosti na elektrické napětí jiné velikosti, tedy k přeměně elektrické energie.

Transformátor může převádět pouze střídavý proud na střídavý proud, takže pro získání stejnosměrného proudu je střídavý proud z transformátoru v případě potřeby usměrněn. K tomuto účelu se používají usměrňovače.

Tak či onak, jakýkoli transformátor (ať už je to napěťový, proudový nebo pulzní) funguje díky fenoménu elektromagnetické indukce, který se v celé své kráse projevuje právě střídavým nebo pulzním proudem.

Transformátor je nedílnou součástí elektrického systému. Díky transformátoru bylo možné široce používat systémy střídavého proudu, protože s účastí transformátorů se výroba, přenos, distribuce a spotřeba elektrické energie provádí při nejúspornějších hodnotách napětí. Transformátory nacházejí uplatnění také v slaboproudých a nízkonapěťových elektronických obvodech, řídicích obvodech pro přizpůsobení složitých odporů zdroje a zátěže, galvanickém oddělení obvodů od sebe, oddělování obvodů stejnosměrným proudem při zachování spojení mezi nimi střídavým atd. Existují také autotransformátory, svařovací, rotační a jiné speciální transformátory.

Transformátorové zařízení

Ve své nejjednodušší podobě se jednofázový transformátor skládá pouze ze tří hlavních částí: feromagnetického jádra (magnetického obvodu) a také primárního a sekundárního vinutí. V zásadě může mít transformátor více než dvě vinutí, ale jsou minimálně dvě. V některých případech může funkci sekundárního vinutí nést část závitů primárního vinutí (viz typy transformátorů), ale taková řešení jsou ve srovnání s klasickými poměrně vzácná.

Hlavní částí transformátoru je feromagnetické jádro. Když je transformátor v provozu, mění se magnetické pole uvnitř feromagnetického jádra. Zdrojem měnícího se magnetického pole v transformátoru je střídavý proud primárního vinutí.

Napětí na sekundárním vinutí transformátoru

Je známo, že jakýkoli elektrický proud je doprovázen magnetickým polem, a proto je střídavý proud doprovázen střídavým (měnící se velikost a směr) magnetickým polem.

Přivedením střídavého proudu do primárního vinutí transformátoru tedy získáme měnící se magnetické pole proudu primárního vinutí. A aby se magnetické pole soustředilo hlavně uvnitř jádra transformátoru, je toto jádro vyrobeno z materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou, tisíckrát větší než má vzduch, takže hlavní část magnetického toku primárního vinutí by byla uzavřena uvnitř jádra a ne vzduchem.

Střídavé magnetické pole primárního vinutí se tedy koncentruje v objemu jádra transformátoru, které je vyrobeno z transformátorové oceli, feritu nebo jiného vhodného materiálu, v závislosti na pracovní frekvenci a účelu konkrétního transformátoru.

Sekundární vinutí transformátoru je umístěno na společném jádru s primárním vinutím. Proto také střídavé magnetické pole primárního vinutí proniká do závitů sekundárního vinutí.

Fenomén elektromagnetické indukce spočívá právě v tom, že magnetické pole měnící se v čase indukuje měnící se elektrické pole v prostoru kolem sebe. A protože se v tomto prostoru kolem měnícího se magnetického pole nachází drát sekundárního vinutí, působí indukované střídavé elektrické pole na nosiče náboje uvnitř tohoto drátu.

Toto působení elektrického pole způsobuje EMF v každém závitu sekundárního vinutí. V důsledku toho se mezi svorkami sekundárního vinutí objeví střídavé elektrické napětí. Pokud sekundární vinutí transformátoru připojeného k síti není zatíženo, transformátor pracuje v režimu naprázdno.

Provoz transformátoru pod zátěží

Provoz transformátoru pod zátěží je charakterizován přítomností proudu v sekundárním vinutí, jehož změna způsobuje změnu proudu v primárním vinutí, protože primární vinutí je elektromagneticky spojeno se sekundárním vinutím.

Pokud je na sekundární vinutí pracovního transformátoru připojena zátěž, protéká proud zátěží v celém sekundárním obvodu transformátoru.

Tento proud generuje vlastní magnetické pole, které má podle Lenzova zákona takový směr, že působí proti „příčině, která ho vytváří“. To znamená, že magnetické pole proudu sekundárního vinutí má v každém časovém okamžiku tendenci snižovat rostoucí magnetické pole primárního vinutí nebo má tendenci udržovat magnetické pole primárního vinutí, když se snižuje, je vždy směrováno k magnetickému poli primárního vinutí.

Když je tedy sekundární vinutí transformátoru zatíženo, v jeho primárním vinutí se objeví zpětné EMF, které nutí primární vinutí transformátoru spotřebovávat více proudu z napájecí sítě.

U výkonových transformátorů nepřesahuje při jmenovitém zatěžovacím proudu pokles napětí v primárním vinutí 2–5 % vstupního jmenovitého napětí. V důsledku toho lze bez větší chyby předpokládat, že při změně zatěžovacího proudu transformátoru z nuly na jmenovitou hodnotu zůstává hlavní magnetický tok prakticky nezměněn.

Transformační poměr

Poměr závitů primárního vinutí N1 a sekundárního vinutí N2 transformátoru určuje poměr mezi jeho vstupním napětím U1 a výstupním U2 a vstupními proudy I1 a výstupními I2, když transformátor pracuje pod zatížením. Tento poměr se nazývá transformační poměr transformátoru:

Transformační poměr je větší než jedna, pokud je transformátor klesající transformátor, a menší než jedna, pokud je transformátor zvyšovací transformátor.

Transformační poměr se používá k návrhu a výběru transformátorů v závislosti na požadavcích na zatížení, ke kontrole shody skutečných charakteristik transformátoru s údaji na jeho typovém štítku a ke stanovení ztrát a vyhodnocení účinnosti transformátoru.

Autotransformátor

Ve výše diskutovaných transformátorech existuje pouze magnetická vazba mezi primárním a sekundárním vinutím. Někdy je výhodnější použít tzv. autotransformátory, jejichž primární a sekundární vinutí mají kromě magnetického i elektrické (galvanické) zapojení.

Autotransformátor je speciální typ transformátoru, který má jedno vinutí s více odbočkami. Používá se ke změně úrovně napětí v elektrických obvodech a od tradičních transformátorů se liší tím, že primární a sekundární vinutí jsou spojeny do jednoho.

Nejběžnější jednofázový obvod autotransformátoru se vyznačuje tím, že výkon přenášený z primárního vinutí do sekundárního vinutí magnetickou vazbou jako u běžného transformátoru je doplněn o výkon přenášený elektrickou vazbou. V souladu s tím jsou rozměry, hmotnost a náklady autotransformátoru menší než u konvenčního transformátoru stejného jmenovitého výkonu, zatímco koeficient účinnosti (EC) je naopak vyšší.

Autotransformátory jsou důležitým prvkem v systémech elektrického napájení díky své jednoduchosti, účinnosti a hospodárnosti.

Napěťový transformátor

Napěťový transformátor je typ snižujícího transformátoru určený pro galvanické oddělení vysokonapěťových obvodů od nízkonapěťových obvodů.

Obvykle, když mluvíme o vysokém napětí, znamená to 6 nebo více kilovoltů (na primárním vinutí napěťového transformátoru) a nízké napětí znamená hodnoty asi 100 voltů (na sekundárním vinutí).

Takový transformátor se obvykle používá pro účely měření. Snižuje např. vysoké napětí elektrického vedení na nízké napětí vhodné pro měření a může také galvanicky izolovat měřicí, ochranné a řídicí obvody od vysokonapěťového obvodu. Tento typ transformátoru obvykle pracuje v režimu naprázdno.

V zásadě lze jakýkoli výkonový transformátor používaný k přeměně elektrické energie nazvat transformátorem napětí.

Transformátor napětí

U proudového transformátoru je primární vinutí, sestávající obvykle pouze z jednoho závitu, zapojeno do série s obvodem zdroje proudu. Tento závit může být úsekem vodiče obvodu, ve kterém je třeba měřit proud.

Drát se jednoduše provlékne okénkem jádra transformátoru a stane se jedním závitem – závitem primárního vinutí. Jeho sekundární vinutí, které má mnoho závitů, je připojeno k měřicímu zařízení, které má nízký vnitřní odpor.

Transformátory tohoto typu se používají k měření hodnot střídavého proudu v silových obvodech. Zde jsou proud a napětí sekundárního vinutí úměrné měřenému proudu primárního vinutí (proudového obvodu).

Proudové transformátory jsou široce používány v reléových ochranných zařízeních elektrických systémů, proto mají vysokou přesnost. Dělají měření bezpečným, protože galvanicky spolehlivě oddělují měřicí obvod od primárního okruhu (obvykle vysokého napětí – desítky a stovky kilovoltů).

Pulzní transformátor

Tento transformátor je určen k přeměně proudu (napětí) v pulzní formě. Krátké pulsy, obvykle obdélníkové, aplikované na jeho primární vinutí způsobují, že transformátor pracuje v téměř přechodném režimu.

Takové transformátory se používají v pulsních měničích napětí a jiných pulsních zařízeních, stejně jako v diferenciačních transformátorech.

Použití pulzních transformátorů umožňuje snížit hmotnost a cenu zařízení, ve kterých jsou použity, jednoduše díky zvýšené konverzní frekvenci (desítky a stovky kilohertzů) ve srovnání se síťovými transformátory pracujícími na frekvenci 50-60 Hz. Obdélníkové pulsy, jejichž přední trvání je mnohem kratší než trvání samotného pulsu, jsou normálně transformovány s malým zkreslením.

Pulzní transformátory hrají klíčovou roli v moderních elektronických systémech díky své schopnosti efektivně přenášet impulsy s minimálním zkreslením. Jejich rozmanitost provedení a použití je činí nepostradatelnými v oblasti elektrotechniky a elektroniky.

Transformátory na fotografiích

Výkonový transformátor v otevřeném rozvaděči v transformovně:

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře