Transformátor je elektromagnetické zariadenie používané na premenu striedavého prúdu jedného napätia a frekvencie na striedavý prúd iného (alebo rovnakého) napätia a rovnakej frekvencie.
Obsah
Konštrukcia a funkcia transformátora
V najjednoduchšom prípade Transformátor obsahuje primárne vinutie s počtom vinutí W1 a sekundárny s W2. Energia je pripojená na primárne vinutie, záťaž je pripojená na sekundárne vinutie. Prenos energie sa uskutočňuje prostredníctvom elektromagnetickej indukcie. Na zlepšenie elektromagnetickej väzby sa vinutie zvyčajne montuje na uzavreté jadro (magnetické jadro).
Ak je striedavé napätie U1je privedený na primárne vinutie, striedavý prúd I1ktorý indukuje v jadre magnetický tok F rovnakého tvaru. Tento magnetický tok indukuje v sekundárnom vinutí EMP. Ak je k sekundárnemu obvodu pripojená záťaž, sekundárny prúd I2.
Napätie v sekundárnom vinutí je určené pomerom závitov W1 a W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, kde k transformačný pomer.
Ak k<1, potom U2>U1a takýto transformátor sa nazýva zvyšovací transformátor. Ak k>1 , potom U2
Transformátor môže mať viac ako jedno sekundárne vinutie s rôznymi transformačnými pomermi. Napríklad 220 V transformátor na napájanie žiaroviek pre domácnosť môže mať jedno sekundárne vinutie, napr. 500 V na napájanie anódových obvodov a 6 V na napájanie žiarovkových obvodov. V prvom prípade k<1, v druhom prípade k>1.
Transformátor pracuje len so striedavým napätím - aby sa v sekundárnom vinutí objavilo EMF, musí sa meniť magnetický tok.
Typy jadier pre transformátory
V praxi sa používajú jadrá nielen uvedeného tvaru. V závislosti od účelu použitia zariadenia môžu byť magnetické jadrá vyrobené rôznymi spôsobmi.
Jadrá
Jadrá nízkofrekvenčných transformátorov sú vyrobené z ocele s výraznými magnetickými vlastnosťami. Na zníženie vírivých prúdov je sústava jadier vyrobená z jednotlivých dosiek, ktoré sú navzájom elektricky izolované. Pri vysokých frekvenciách sa používajú iné materiály, napríklad ferit.
Vyššie uvedené jadro sa nazýva jadrové pole a pozostáva z dvoch tyčí. Pri jednofázových transformátoroch sa používajú aj trojžilové jadrá. Majú nižší magnetický rozptylový tok a vyššiu účinnosť. V tomto prípade je primárne aj sekundárne vinutie umiestnené na centrálnom jadre.
Trojfázové transformátory sa vyrábajú aj na trojfázových jadrách. Primárne a sekundárne vinutie každej fázy je každé na samostatnom jadre. V niektorých prípadoch sa používajú päťjadrá. Majú rovnaké usporiadanie, primárne a sekundárne jadrá na každej strane jadra, pričom dve krajné jadrá na každej strane sa používajú na spájanie magnetických tokov pri určitých operáciách.
Pancierované jadrá
Jednofázové transformátory sa vyrábajú s pancierovými jadrami - obe cievky sú umiestnené na centrálnom jadre magnetického jadra. Magnetický tok v tomto jadre je spojený podobne ako v trojjadrovej jednotke, t. j. cez bočné steny. Rozptylový tok je v tomto prípade veľmi malý.
Výhodou tejto konštrukcie je určité zvýšenie rozmerov a hmotnosti vďaka možnosti hustejšieho vyplnenia okna jadra vinutím, takže je výhodné používať pancierované jadrá pre transformátory s nízkym výkonom. Dôsledkom toho je aj kratší magnetický obvod, čo vedie k nižším stratám bez zaťaženia.
Nevýhodou je, že vinutia sú ťažšie prístupné na kontrolu a opravu a izolácia pre vysoké napätie je zložitejšia na výrobu.
Toroidný
Pri toroidných jadrách je magnetický tok úplne uzavretý v jadre a prakticky nedochádza k úniku magnetického toku. Tieto transformátory sa však ťažko navíjajú, preto sa používajú len zriedka, napr. v regulovaných autotransformátoroch malých výkonov alebo vo vysokofrekvenčných aplikáciách, kde je dôležitá odolnosť proti rušeniu.
Autotransformátor
V niektorých prípadoch je vhodné použiť transformátory, v ktorých existuje nielen magnetická väzba medzi vinutiami, ale aj elektrická väzba medzi vinutiami. To znamená, že v zariadení so zvyšovaním napätia je primárne vinutie súčasťou sekundárneho vinutia a v zariadení so znižovaním napätia je sekundárne vinutie súčasťou primárneho vinutia. Takéto zariadenie sa nazýva autotransformátor (AT).
Znižovací autotransformátor nie je jednoduchý delič napätia - na prenose energie do sekundárneho obvodu sa podieľa aj magnetická väzba.
Výhody autotransformátorov sú:
- nižšie straty;
- možnosť plynulej regulácie napätia;
- menšie rozmery (autotransformátory sú lacnejšie, ľahšie sa prepravujú);
- Nižšie náklady vďaka nižšej potrebe materiálu.
Medzi nevýhody patrí potreba vyššej napäťovej izolácie oboch vinutí a chýbajúce galvanické oddelenie medzi vstupom a výstupom, ktoré môže prenášať účinky poveternostných vplyvov z primárneho na sekundárny obvod. Prvky sekundárneho obvodu zároveň nesmú byť uzemnené. Za nevýhodu AT sa považujú aj zvýšené skratové prúdy. Pri trojfázových autotransformátoroch sú vinutia spravidla zapojené do hviezdy s uzemneným nulovým vodičom, iné schémy zapojenia sú možné, ale príliš komplikované a ťažkopádne. To je tiež nevýhoda, ktorá môže obmedziť používanie autotransformátorov.
Aplikácie transformátorov
Vlastnosť transformátorov zvyšovať alebo znižovať napätie sa široko využíva v priemysle a v domácnostiach.
Transformácia napätia
Priemyselná úroveň napätia má v rôznych fázach rôzne požiadavky. Z rôznych dôvodov nie je výhodné používať pri výrobe elektrickej energie generátory vysokého napätia. Preto sa napríklad vo vodných elektrárňach používajú generátory 6...35 kV. Naopak, na prenos elektrickej energie je potrebné vyššie napätie - od 110 kV do 1 150 kV v závislosti od vzdialenosti. Toto napätie sa potom opäť zníži na 6...10 kV, distribuuje sa do miestnych rozvodní, odkiaľ sa zníži na 380(220) voltov a dodáva sa konečnému spotrebiteľovi. Pre domáce a priemyselné spotrebiče sa musí ďalej znížiť, zvyčajne na 3...36 V.
Všetky tieto kroky sa vykonávajú pomocou výkonové transformátory. Môžu byť suché alebo olejové. V druhom prípade sú jadro a vinutie umiestnené v nádrži s olejom, ktorý slúži ako izolačné a chladiace médium.
Galvanické oddelenie
Galvanické oddelenie zvyšuje bezpečnosť elektrických spotrebičov. Ak jednotka nie je napájaná priamo zo siete 220 V, kde je jeden z vodičov pripojený k zemi, ale cez transformátor 220/220 V, napájacie napätie zostáva rovnaké. Ak sa však zem a sekundárne časti vedúce prúd dotknú súčasne, nevznikne obvod, ktorým by prúd tiekol, a riziko úrazu elektrickým prúdom bude oveľa nižšie.
Meranie napätia
Vo všetkých elektrických inštaláciách sa musí monitorovať úroveň napätia. Ak sa používa trieda napätia do 1000 V, voltmetre sa pripevňujú priamo na živé časti. V inštaláciách nad 1000 V to nie je možné - zariadenia by boli príliš ťažkopádne a v prípade poruchy izolácie by nemuseli byť bezpečné. Preto sa v takýchto systémoch voltmetre pripájajú k vodičom vysokého napätia prostredníctvom transformátorov s vhodným transformačným pomerom. Napríklad pre siete 10 kV sa používajú transformátory 1:100 a výstupné napätie je štandardných 100 voltov. Ak sa mení amplitúda primárneho napätia, mení sa súčasne aj v sekundárnom napätí. Stupnica voltmetra je zvyčajne odstupňovaná v rozsahu primárneho napätia.
Transformátory sú pomerne zložité a nákladné na výrobu a údržbu. V mnohých aplikáciách sú však tieto zariadenia nevyhnutné a neexistuje k nim alternatíva.
Súvisiace články:
