Transformátory - fyzikální základy

Obsah >>>        

TransformátoryTransformátory 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).
TachometrV 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:
U-NU-I
  • 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
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.
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.
Transformátor
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 a Induktorpoužívá 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.