Transformátory - fyzikální základy |
Obsah >>> |
Transformátory jsou elektrické stroje, které pracují na principu elektromagnetické indukce. Přeměňují střídavý proud o určitém napětí na střídavý proud o jiném napětí. Při transformaci proudu dochází ke změně napětí a proudu, ale frekvence se nemění. Transformátory se používají především v energetice pro hospodárný přenos el. energie z místa výroby ke spotřebiteli pomoci vysokých a velmi vysokých napětí. Široké uplatnění však mají také v elektrotechnice, elektronice, sdělovací technice i v mnoha domácích elektrických přístrojích.
Konstrukce transformátoru
Základem transformátoru jsou dvě cívky (primární a sekundární), nasazené na uzavřeném železném jádře. Vinutí primární cívky se připojuje ke zdroji střídavého proudu, k vinutí sekundární cívky se připojuje spotřebič. Jádro transformátoru je složeno z navzájem izolovaných plechů např. z křemíkové oceli. Podle tvaru transformátorových plechů a uspořádání cívek se transformátory dělí na jádrové, plášťové a speciální. Podle počtu fází mohou být jednofázové, trojfázové nebo vícefázové.
O vířivých proudech a o transformátorovém jádru
Jádro transformátoru je složeno z jednotlivých, od sebe navzájem izolovaných plechů. Proč? Odpověď bezprostředně souvisí s vířivými proudy. V naučném slovníku se dočteme, že
Foucaultovy (vířivé) proudy jsou elektrické proudy indukované v masivních elektrických vodičích působením proměnných magnetických polí. Vířivé proudy působí ztráty energie (disipace energie ohmickým ohřevem, např. v transformátorech). Využití při konstrukci měřících přístrojů. Jsou příčinou povrchového jevu (skinefektu).V podstatě jde o to, že volné elektrony se v masivním bloku kovového vodiče působením proměnného magnetického pole začnou pohybovat po kružnicích (proto označení vířivé proudy), při svém pohybu předávají část své energie krystalové mřížce a kov se zahřívá. Vířivé prody se odstraní nebo aspoň omezí rozdělením masivního vodiče na menší vzájemně izolované části, aby neměly elektrony možnost "vířit". Vířivé proudy jsou proudy indukované a proto se podle Lenzova zákona snaží zabránit změně, která je vyvolala. Toho se využívá například v indukčních brzdách, tachometrech, elektroměrech aj.
V jádře transformátoru se neustále mění magnetické pole, vytvořené primární cívkou. Kdyby bylo jádro z masivního kusu železa, vznikaly by v takovém jádře silné vířivé proudy, jádro by se zahřívalo a elektrická energie by se místo přenosu z primární na sekundární cívku bez užitku měnila na teplo. V jádru z izolovaných plechů je vznik vířivých proudů silně omezený, tepelné ztráty jsou nepatrné a účinnost velkých energetických transformátorů může dosáhnout až 98%! S tak vysokou účinností pracuje jen málokterý stroj!
Základní vztahy
Ke změně střídavého napětí dochází vlivem elektromagnetické indukce mezi primární a sekundární cívkou transformátoru. Prochází-li primární cívkou střídavý proud, vzniká v jejím okolí střídavé (měnící se) magnetické pole, změny magnetického pole jsou železným jádrem zesilovány a změny magnetického pole indukují v závitech sekundární cívky napětí. Zanedbáme-li ztráty (které jsou u transformátoru velmi malé), platí pro transformaci napětí vztahy:
Z první uvedené rovnice vyplývá, že sekundární napětí je přímo úměrné počtu sekundárních závitů. Čím víc závitů má sekundární cívka, tím vyšší napětí trasformátor poskytuje.
- N1 - počet závitů primární cívky
- U1 - primární napětí, přiváděné na vstup primární cívky
- I1 - primární proud, procházející mezi zdrojem a primární cívkou
- N2 - počet závitů sekundární cívky
- U2 - sekundární napětí, které se indukuje na vývodech sekundární cívky
- I2 - sekundární proud, který prochází sekundární cívkou a připojeným spotřebičem
Druhá rovnice vyjadřuje nepřímou úměrnost mezi proudem a napětím. To znamená, že čím vyšší je sekundární napětí, tím menší proud prochází sekundárním obvodem. Právě tato závislost se uplatňuje při dálkovém přenosu elektrické energie: vedením o velmi vysokém napětí prochází menší proud, vodiče se míň zahřívají a při přenosu dochází k menším ztrátám.
Princip transformátoru
Je-li sekundární napětí vyšší než primární, hovoříme o transformaci nahoru, Je-li sekundární napětí nižší než primární, jedná se o transformaci dolů. K transformaci nahoru dochází v každém televizním přijímači - obrazovka potřebuje ke své činnosti napětí asi 15.000 V a to pro ni vytváří vysokonapěťový transformátor. K napájení domovního zvonku potřebujeme naopak napětí snížit z 230 V přibližně na 5 voltů zvonkovým transformátorem. Transformátorky snižující síťové napětí jsou základem každé nabíječky akumulátorů a najdeme je také ve většině domácích elektronických přístrojů.
Rozdělení transformátorů
Pro použití v elektrotechnice můžeme rozdělit transformátory na:
- energetické - změna napětí pro přenos elektrické energie v rozvodných sítích, určené pro velké výkony
- svařovací - snižování napětí pro svařování kovů elektrickým obloukem
- pecové - pro napájení obloukových a odporových pecí pro tavení kovů
- měničové - pro napájení polovodičových měničů, které přeměňují stejnosměrný proud na proud střídavý
- spouštěcí - pro spouštění velkých asynchronních elektromotorů
- oddělovací - galvanické oddělení elektrických obvodů pro zvýšení bezpečnosti
- jiné - měřicí, zkušební apod.
Indukční tavicí pec
Zvláštním typem transformátoru je indukční tavicí pec. Je to v podstatě velký transformátor, jehož sekundární cívku tvoří tavený kov, uložený v ohnivzdorném žlabu. V tomto jediném závitu se indukuje jen malé napětí, ale o to větší proud závitem prochází. Při dostatečně vysokém primárním napětí se v sekundárním závitu indukuje napětí jen několik desítek voltů, ale proud dosahuje i několika stovek ampérů. Tak velkým procházejícím proudem se kov silně zahřívá a taví.
Induktor a zapalovací cívka
Induktor patří k běžnému vybavení fyzikálních kabinetů apoužívá se při pokusech, kde je třeba vysoké napětí, například v elektrostatice. Jedná se o zvláštní typ transformátoru s otevřeným jádrem z železných drátků. Primární cívka má málo závitů ze silného drátu, sekundární cívka má několik tisíc závitů tenkého drátu. Primární cívka je přes přerušovač (podobný jako u elektrického zvonku) připojena k napájecí baterii. Přerušováním primárního proudu se v sekundární cívce indukuje napětí i několik tisíc voltů. Tak vysoké napětí způsobí jiskrové výboje v jiskřišti induktoru.
Na stejném principu pracuje nezbytná součást každého zážehového spalovacího motoru - zapalovací cívka.. Vytváří vysoké napětí, které se rozdělovačem přivádí k zapalovacím svíčkám jednotlivých válců motoru.