Transformátor. Struktura a princip činnosti transformátoru.

Transformátory – jedná se o zařízení, která převádějí elektrickou energii z jedné napěťové úrovně na druhou. Tato zařízení jsou základem elektroenergetických systémů, zajišťují přenos a distribuci elektřiny na velké vzdálenosti s minimálními ztrátami. Transformátory jsou v moderním životě nepostradatelné, poskytují elektřinu do domácností, kanceláří, továren a mnoha dalších zařízení.

<b>Hlavní součásti transformátoru</b>

<b>Primární a sekundární vinutí</b>

Transformátor se skládá ze dvou hlavních vinutí – primárního a sekundárního. Primární vinutí je připojeno ke zdroji elektrické energie a vytváří magnetické pole. Sekundární vinutí, indukované tímto magnetickým polem, generuje výstupní napětí.

<b>Magnetické jádro</b>

Magnetické jádro – je jádro transformátoru, vyrobené z feromagnetického materiálu, obvykle železa. Směruje magnetický tok vytvářený primárním vinutím na sekundární vinutí, čímž se minimalizují energetické ztráty.

<b>Izolace</b>

Aby se zabránilo zkratům mezi vinutími a mezi vinutími a jádrem, používají se izolační materiály. Jedná se o kritický prvek, který zajišťuje spolehlivý a bezpečný provoz transformátoru.

<b>Jak fungují transformátory?</b>

Transformátory fungují na principu elektromagnetické indukce, který objevil Michael Faraday v 19. století. Při přivedení střídavého proudu na primární vinutí se vytvoří střídavé magnetické pole. Toto magnetické pole indukuje v sekundárním vinutí střídavé napětí, které umožňuje přeměnu energie z jedné napěťové úrovně na druhou.

<b><br /></b>

<b>Typy transformátorů</b>

<b>Výkonové transformátory</b>

Výkonové transformátory se používají v elektroenergetice k přenosu elektrické energie z elektráren ke spotřebitelům. Mohou být velmi velké, výkonné a navržené pro provoz při vysokém napětí, což umožňuje efektivní přenos energie na velké vzdálenosti s minimálními ztrátami.

<b>Přístrojové transformátory</b>

Přístrojové transformátory se používají k měření napětí a proudu v elektrických systémech. Zajišťují bezpečnost a přesnost měření, což je důležité zejména při práci s vysokým napětím.

<b>Autotransformátory</b>

Autotransformátory mají jedno společné vinutí pro primární a sekundární okruh. Jsou kompaktnější a ekonomičtější, ale jejich použití je omezené, protože neposkytují úplnou izolaci mezi vstupem a výstupem.

<b>Pulzní transformátory</b>

Pulzní transformátory se používají v zařízeních s pulzními napájecími zdroji. Pracují na vysokých frekvencích a umožňují efektivní přenos energie v kompaktních zařízeních, jako jsou počítače a mobilní telefony.

<b>Výhody a nevýhody transformátorů</b>

Vysoká účinnost: Transformátory mají vysokou účinnost, což umožňuje minimalizovat energetické ztráty při přenosu.

Velikost a hmotnost: Velké transformátory mohou být objemné a těžké, což ztěžuje jejich přepravu a instalaci.

<b>Reálné aplikace transformátorů</b>

<b><br /></b>

<b>Energetika</b>

V energetice se transformátory používají k přenosu elektrické energie z elektráren ke spotřebitelům prostřednictvím vysokonapěťových elektrických vedení. Snižují energetické ztráty na dlouhé vzdálenosti, díky čemuž je energetický systém efektivnější a spolehlivější.

<b>Průmysl</b>

V průmyslu se transformátory používají k napájení různých strojů a zařízení. Poskytují optimální provozní podmínky pro zařízení, chrání je před přetížením a kolísáním napětí.

<b>Použití v domácnosti</b>

V každodenním životě se transformátory používají v různých elektrických zařízeních, jako jsou televizory, počítače a nabíječky mobilních telefonů. Zajišťují bezpečný a stabilní provoz těchto zařízení.

Transformátory jsou nedílnou součástí moderní elektrické infrastruktury. Hrají klíčovou roli při přenosu a distribuci elektrické energie, zajišťují bezpečnou a efektivní dodávku elektřiny. Bez transformátorů by byl náš každodenní život mnohem obtížnější a méně pohodlný.

Často kladené dotazy

1. Co je to transformátor?

Transformátor je zařízení, které převádí elektrické napětí z jedné úrovně na druhou pomocí elektromagnetické indukce.

2. Jak fungují transformátory?

Transformátory fungují tak, že v primárním vinutí vytváří střídavé magnetické pole, které indukuje napětí v sekundárním vinutí.

3. Jaké jsou typy transformátorů?

Existuje několik typů transformátorů, včetně výkonových, přístrojových, autotransformátorů a pulzních transformátorů.

4. Jaké jsou výhody transformátorů?

Mezi výhody transformátorů patří vysoká účinnost, bezpečnost a spolehlivost přenosu elektrické energie.

5. Kde se používají transformátory?

Transformátory se používají v elektroenergetice, průmyslu i každodenním životě pro přenos a rozvod elektrické energie a také pro napájení různých elektrických zařízení.

Nejjednodušší transformátor je zařízení skládající se z ocelového jádra a dvou vinutí (obr. 1). Při přivedení střídavého napětí na primární vinutí se v sekundárním vinutí indukuje EMF stejné frekvence. Pokud je k sekundárnímu vinutí připojen nějaký elektrický přijímač, pak se v něm generuje elektrický proud a na sekundárních svorkách transformátoru se vytvoří napětí, které je o něco menší než EMF a závisí do určité relativně malé míry na zatížení. Poměr primárního a sekundárního napětí (transformační poměr) je přibližně roven poměru počtu závitů primárního a sekundárního vinutí.

Rýže. 1. Princip konstrukce jednofázového dvouvinutého transformátoru. 1 primární vinutí, 2 sekundární vinutí, 3 jádra. Primární napětí U1, sekundární napětí U2, primární proud I1, sekundární proud I2, Ф magnetický tok

Nejjednodušší konvenční značky pro transformátory jsou znázorněny na obr. 2; Pro přehlednost mohou být různá vinutí transformátoru znázorněna v různých barvách, jako na obrázku.

Rýže. 2. Konvenční označení transformátoru v podrobných (vícepólových) schématech (a) a ve schématech elektrické sítě (b)

Transformátory mohou být jednofázové nebo vícefázové a může existovat více než jedno sekundární vinutí. V elektrických sítích se obvykle používají třífázové transformátory s jedním nebo dvěma sekundárními vinutími. Pokud jsou primární a sekundární napětí relativně blízko u sebe, pak lze použít jednovinutí autotransformátorů, jejichž základní schémata jsou na obr. 3. Obr.

Rýže. 3. Schémata autotransformátorů snižujících (a) a zvyšujících se (b).

Nejdůležitější jmenovité parametry transformátoru jsou jeho jmenovité primární a sekundární napětí, jmenovité primární a sekundární proudy a jmenovitý sekundární zdánlivý výkon (jmenovitý výkon). Transformátory lze vyrábět jak pro velmi nízký výkon (např. pro mikroelektronické obvody), tak pro velmi vysoký výkon (např. pro výkonné energetické systémy), pokrývající výkonový rozsah od 0,1 mVA do 1000 MVA.

Energetické ztráty v transformátoru – ztráty mědi aktivním odporem vinutí a ztráty železa vířivými proudy a hysterezí v jádře – jsou obvykle tak malé, že účinnost transformátoru je obvykle větší než 99 %. Navzdory tomu může být produkce tepla ve vysokovýkonných transformátorech tak vysoká, že je nutné použít účinné metody rozptylu tepla. Nejčastěji je aktivní část transformátoru umístěna v nádrži naplněné minerálním (transformátorovým) olejem, která je v případě potřeby zásobována nuceným vzduchem nebo vodním chlazením. Pro výkon do 10 MVA (někdy i vyšší) lze použít i suché transformátory, jejichž vinutí bývá vyplněno epoxidovou pryskyřicí. Hlavními výhodami suchých transformátorů je vyšší požární bezpečnost a eliminace úniků transformátorového oleje, díky čemuž je lze bez překážek instalovat v jakékoli části budovy, včetně jakéhokoli podlaží. K měření střídavého proudu nebo napětí (zejména v případě vysokých proudů a vysokých napětí) se často používají přístrojové transformátory.

Konstrukce napěťového transformátoru se v principu neliší od výkonových transformátorů, ale pracuje v režimu blízkém volnoběhu; transformační poměr je v tomto případě zcela konstantní. Jmenovité sekundární napětí takových transformátorů je obvykle 100 V. Sekundární vinutí proudového transformátoru je ideálně zkratováno a sekundární proud je pak úměrný primáru. Jmenovitý sekundární proud je obvykle 5 A, ale někdy může být i méně (např. 1 A). Příklady konvenčních symbolů pro proudové transformátory jsou na obr. 4. Obr.

Rýže. 4. Konvenční označení proudového transformátoru v rozšířených schématech (a) a v jednovodičových schématech (b)

První transformátor Za nejdůležitější lze považovat indukční prsten vyrobený Michaelem Faradayem sestávající z prstencového ocelového jádra a dvou vinutí, s jehož pomocí objevil 29. srpna 1831 fenomén elektromagnetické indukce (obr. 5). Během rychlého přechodového procesu, ke kterému dochází při zapnutí nebo vypnutí primárního vinutí připojeného ke zdroji stejnosměrného proudu, se v sekundárním vinutí indukuje pulzní EMF. Takové zařízení lze proto nazvat pulzním nebo přechodovým transformátorem.

Rýže. 5. Princip přechodového transformátoru Michaela Faradaya. i1 primární proud, i2 sekundární proud, t čas

Na základě Faradayova objevu sestrojil Nicholas Callan (1799–1864), učitel fyziky na Margnooth College poblíž Dublinu (Irsko), v roce 1836 indukční cívku (jiskrový induktor), sestávající z přerušovače a transformátoru; Toto zařízení umožnilo přeměnit stejnosměrný proud na vysokonapěťový střídavý proud a způsobit dlouhé jiskrové výboje. Indukční cívky byly rychle zdokonaleny a byly široce používány při studiu elektrických výbojů v 19. století. Mohou také zahrnovat zapalovací cívky moderních automobilů. První transformátor na střídavý proud si nechal patentovat v roce 1876 ruský elektroinženýr Pavel Jabločkov, který žil v Paříži a používal jej v napájecích obvodech svých obloukových lamp. Jádrem Yabločkovova transformátoru byl rovný svazek ocelových drátů, v důsledku čehož magnetický obvod nebyl uzavřený, jako Faradayův, ale otevřený, a v jiných instalacích se takový transformátor nepoužíval. V roce 1885 vyrobili elektrotechnici Max Deri (172 1854–1938), Otto Titus Blathy (1860–1939) a Karoly Zipernovsky (1853–1942) z budapešťského závodu Ganz & Co. transformátor s toroidním drátěným jádrem a zároveň vyvinuli použití těchto transformátorů na rozvod střídavého proudu. Transformátor s ještě lepšími vlastnostmi, jehož jádro bylo sestaveno z ocelových plechů ve tvaru E a I, vytvořil v témže roce americký elektroinženýr William Stanley (1858–1916), poté začal prudký rozvoj střídavých systémů jak v Evropě, tak v Americe. První třífázový transformátor sestrojil v roce 1889 Michail Dolivo-Dobrovolsky.