Čo je to transformátor
História transformátora sa začala rozvíjať v 19. storočí. Princíp transformátora je v podstate jednoduchý a je založený na zákonoch indukcie, ktoré boli vyslovené už v roku 1833 podľa ktorých sa transformátory vyrábajú.
Transformátor, hovorovo tiež trafo, je netočivý elektrický stroj, ktorý pracuje na princípe elektromagnetickej indukcie (jav, pri ktorom vo vodiči dochádza ku vzniku indukovaného elektromotorického napätia a indukovaného prúdu). Slúži na premenu elektrickej energie určitého napätia na elektrickú energiu iného, prípadne aj rovnakého napätia, ak cieľom je galvanicky oddeliť dva elektrické obvody.
Transformátor mení prúdové napätie a napäťové pomery v obvode, pričom frekvencia zostáva zachovaná. Pracuje len s napätím, ktoré sa mení v čase, tj. striedavým alebo jednosmerným pulzujúcim napätím. Pri transformácii sa výkon nemení, ak neuvažujeme so stratami transformátora, ktoré spotrebúvajú nepatrnú časť činného výkonu v samotnom transformátore.
V praxi sa najčastejšie využíva a vyrába jednofázový a trojfázový transformátor.
Výroba transformátorov na mieru pre elektrotechnický priemysel
Rôzne elektronické zariadenia majú individuálne požiadavky špeciálneho zariadenia, preto je pre ne potrebné a výhodnejšie vyrobiť transformátor na mieru. Viac o výrobe transformátorov na mieru si môžete prečítať tu.
Obr.1 Základné časti transformátora – konštrukčná predstava o vinutiach(zostava závinov, ktorá tvorí elektrický obvod a je pripojená na jedno z napätí pre transformátor alebo tlmivku) transformátora, magnetickom obvode a usporiadaní (1) (3).
Zloženie transformátora
Transformátor je zložený z dvoch alebo viacerých obvodov (vinutí) a jedného spoločného magnetického obvodu (jadra – takmer vždy sa používa feromagnetické jadro), ktorý slúži ako konštrukčný prvok.
Transformátory pripájané na elektrickú rozvodnú sieť majú kvôli bezpečnosti vinutia ešte dodatočne prekryté ďalšou izolačnou vrstvou, prípadne sú zaliate do vhodnej zalievacej hmoty.
Účelom transformátora je napätie znižovať, zvyšovať alebo ho robiť rovnakým a jeho význam spočíva:
- v znižovaní investičných nákladov,
- v úsporách pri prenose na veľké vzdialenosti,
- v bezpečnosti pri spotrebovaní elektrickej energie.
Známy objaviteľ Michael Faraday popísal predstavu magnetického poľa tak, že magnetický tok vytvára súčet indukčných čiar prechádzajúcich skúmaným priestorom v našom prípade prierezom cievky (pasívny elektrický prvok, ktorý je reálnou reprezentáciou indukčnosti v elektrickom obvode). Taký istý tok sa vyskytuje aj v okolí cievky, ale opačného smeru. Magnetické indukčné čiary sú uzatvorené čiary a preto sa počet prechádzajúci prierezom cievky vracia späť priestorom mimo cievky. Veľkosť magnetického toku môžeme určiť počtom indukčných čiar v cievke a mimo nej.
Obr.2 Princíp jednofázového jadrového transformátora
Jednotkou magnetického toku je volt sekunda.
Magnetické pole
Magnetické pole je fyzikálne pole, v ktorom sú veličinami poľa intenzita magnetického poľa a hustota magnetického toku. V nejakom bode existuje magnetické pole, ak v tomto bode pôsobí na pohybujúce sa elektrické náboje alebo magnety sila.
Magnetické pole sa prejavuje silovým pôsobením na železné predmety alebo iné magnety. Nachádza sa okolo permanentného magnetu alebo okolo vodiča, cez ktorý tečie elektrický prúd (pričom aj pole permanentného magnetu je vlastne spôsobené pohybom nábojov vo vnútri atómov) a graficky sa znázorňuje magnetickými siločiarami (indukčnými čiarami).
Magnetické pole charakterizuje magnetická indukcia, ktorá udáva počet indukčných čiar na jednotku plochy vo vzťahu. Hlavné magnetické pole v transformátoroch je sústredené do železného jadra, pretože má oveľa lepšiu magnetickú vodivosť ako vzduch. Vyvolaný magnetický tok je úmerný magnetickej vodivosti obvodu a sile, ktorá ju vyvolala a ktorú nazývame magnetomotorická sila.
Magnetomotorická sila, nazývaná aj prietok alebo ampérzávit (udávané v ampérmetroch) je súčet prúdov prechádzajúcich budením, tzv. oknom magnetického obvodu. Magnetická vodivosť obvodu je pomer magnetického toku a magnetomotorickej sily, ktorá ho vyvoláva. Číselne sa rovná veľkosti magnetického toku vyvolaného prúdom jedného ampéra (7).
Delenie transformátorov
Podľa tvaru jadra transformátory delíme na:
- Jadrové transformátory
- Plášťové transformátory
- Toroidné transformátory
1. Jadrové transformátory
Pre väčšie výkony sa používa jadrový typ transformátorov. Primárne a sekundárne vinutie majú na rôznych stĺpoch jadra.
2. Plášťové transformátory
Vinutie je umiestnené na strednom stĺpiku, ktorý má najväčší prierez. Magnetický tok sa tak súmerne rozdeľuje do spojok a oboch postranných stĺpikov, ktoré majú polovičný prierez.
Výhodou tohto usporiadania je dobré rozdelenie magnetického toku a tým malé rozptyly, jednoduché navíjanie na jednu cievku a pomerne ľahké upevnenie zväzku jadra. Nevýhodou je horšie chladenie.
3. Toroidné transformátory
Základ toroidného transformátora tvojí kruhové jadro z oceľového pásu v rôznych šírkach v závislosti od žiadaných konečných rozmerov a výkonu transformátora. Vinutie je umiestnené po celom obvode toroidného jadra.
Obr. 3 Výkonný toroidný transformátor
Konštrukcia malých jednofázových transformátorov
Transformátor je zariadenie, ktoré premieňa striedavé prúdy a napätia s rovnakou frekvenciou, patrí medzi netočivé elektrické stroje a pracuje na princípe elektromagnetickej indukcie.
Podľa prúdovej zostavy sa transformátory rozdeľujú:
● Jednofázové transformátory
Jednofázový transformátor sa skladá z dvoch cievok, ktoré majú spoločné jadro z mäkkej ocele. Primárna cievka je pripojená na striedavý prúd, ktorý vytvára v jadre transformátora premenlivé magnetické pole.
● Trojfázové transformátory
Trojfázový transformátor má jadro s tromi stĺpikmi, na jednom stĺpiku môžu byť dve alebo tri vinutia, ktoré sú navzájom spojené dvoma magnetickými spojkami. Trojfázový transformátor sa používa k transformácii trojfázového prúdu.
Princíp fungovania je úplne rovnaký a aj konštrukcia je veľmi podobná ako pri jednofázovom transformátore. Každá fáza má vlastnú primárnu aj sekundárnu cievku a všetky majú jedno a to isté spoločné jadro, rovnako ako u jednofázového transformátora. Primárne a rovnako aj sekundárne cievky sú potom spojené navzájom do hviezdy, či trojuholníka.
● Viacfázové transformátory
Transformátor s jednou cievkou sa nazýva aj autotransformátor.
Obr. 4 Znázornenie jednofázového transformátora a schéme jeho zapojenia. Skladá sa z dvoch samostatných cievok – primárnej a sekundárne, ktoré sú umiestnené na spoločnom jadre z mäkkej ocele. Do primárnej cievky sa privádza striedavý prúd, ktorý tvorí v jadre periodické premenné pole. V dôsledku premenného magnetického poľa sa v závitoch cievok indukuje elektromotorické napätie.
Jednofázový transformátor sa používa napríklad v rozhlase, televízoroch, v meracích prístrojoch.
Na transformáciu trojfázového prúdu v energetike sa používajú trojfázové transformátory, ktorých konštrukcia je podobná.
Chladenie transformátora
Výkonné transformátory je nutné chladiť, keďže vinutie sa zahrieva prechodom elektrického prúdu (pasívny odpor) a vírivými magnetickými prúdmi sa zahrieva aj jadro transformátora.
Chladenie býva:
- Priame – chladiace médium cirkuluje okolo cievky transformátora.
- Nepriame – cievka je od média oddelená.
Obeh chladiva môže byť prirodzený alebo nútený. Na chladenie transformátora v praxi využívame: vzduch (buď pasívne alebo ventilátorom), olej, vodu, inertný plyn (plyn, ktorý za daných podmienok nepodlieha chemickej reakcii), pevný izolant (chladenie vedením) alebo iné nehorľavé kvapaliny (3).
Meranie napätí transformátorom
Merací transformátor je elektrický prístroj transformujúci vo vhodnom rozsahu primárny prúd alebo napätie na sekundárny prúd alebo napätie, ktoré sú vhodné na napájanie meracích alebo ochranných prístrojov s požadovanou presnosťou.
Ich použitie je v energetike, najmä pri meraní v obvodoch vysokého napätia a veľkých prúdov, kde prispôsobujú rozsahy meracích, prípadne ochranných prístrojov.
Účelom meraní na transformátore je určiť straty, ktoré v ňom v prevádzke vznikajú. Zo strát vypočítame účinnosti a úbytok napätia od zaťaženia. V transformátore vznikajú straty v železe, Joulove straty vo vinutiach a prídavné straty.
Využitie transformátora je veľmi výhodné, pretože okrem transformácie definovanej počtom závitov merací transformátor aj oddeľuje merací prístroj (zapojený na sekundárnej strane) od primárneho obvodu, ktorý sa zapája do meracieho obvodu.
Meracie transformátory prúdu a napätia teda transformujú veľké striedavé napätia a prúdy na hodnoty vhodné na priame meranie pomocou meracích prístrojov, teda ich používame na zmenu rozsahov striedavých voltmetrov. Tieto transformátory oddeľujú tiež meracie prístroje od obvodov meraného napätia. Meracie transformátory napätia sa používajú na zväčšovanie aj na zmenšovanie rozsahov. Primárne vinutie sa zapája paralelne k obvodu, ktorého napätie chceme merať. Menovité sekundárne napätie meracích transformátorov napätia je 100 V, výnimočne 110 V. Merací prístroj zapájame na sekundárnu stranu. Primárne napätie môže dosahovať až 400 kV.
Rozdeľujeme podľa účelu merania na prúdové a napäťové a ich činnosť sa zakladá na princípe činnosti obyčajného transformátora.
V trojfázovom transformátore poznáme:
- meranie odporov vinutí,
- meranie prevodu napätí,
- meranie naprázdno,
- meranie nakrátko (6).
Cievka
Cievka je pasívny elektrotechnický prvok, ktorý je reálnou reprezentáciou indukčnosti v elektrickom obvode. Skladá sa z izolovaného vodiča navinutého (vinutie môže byť jednovrstvové alebo viacvrstvové) na nevodivú nosnú kostru.
Cievky rozdeľujeme podľa konštrukcie, tvaru, počtu závitov ale najzákladnejšie delenie je podľa jadra (bez jadra – vzduchové a s jadrom – s magnetickým obvodom).
Využitie cievky
Cievka, u ktorej sa využívajú silové účinky magnetického poľa jadra sa nazýva elektromagnet.
Cievka má trojaké využitie a to ako:
- elektromagnet – na vytvorenie magnetického poľa elektrického prúdu sa využíva vzniknutá magnetická sila, vťahujúca jadro (elektrický zvonček, elektromotor, ovládanie zariadení…),
- induktor (nositeľ indukčnosti) – slúži na vytvorenie indukcie elektrického prúdu magnetickým poľom (LC obvody, rádiotechnika…),
- na transformáciu napätia v transformátoroch – indukcia vytvorí striedavé magnetické pole v primárnej cievke, ktoré v druhej cievke transformátora (sekundárne vinutie) generuje elektrické napätie, pričom pomer napätia je priamo úmerný pomeru počtu závitov cievok.
Obr. 5 Rôzne druhy cievok.
Indukčnosť
Základnou fyzikálnou veličinou pri cievke je indukčnosť, ktorá vyjadruje mieru množstva magnetického toku vyvolaného daným elektrickým prúdom a závisí od rozmerov cievky, počtu závitov a permeability jadra.
Jednotkou indukčnosti je henry.
Tlmivka
Cievka v tvare prstenca, príp. valca sa nazýva tlmivka. Tlmivka je cievka s jadrom (býva vyrobené z plechov alebo otropermových pásikov) a veľkou hodnotou indukčnosti a jej účelom je odfiltrovať signály vyšších frekvencií v elektrickom obvode, púšťať signály nižších frekvencií a jednosmerný prúd s malým odporom (4) (5).
Obr. 6 Tlmivka.
Využitie cievok
Cievky sú určené vždy pre nejaký konkrétny cielený výrobok (napr. rozhlasový prijímač, oscilátor…) a nevyrábajú sa početne pre rôzne použitie.
Použitá literatúra:
- KAŠPAR Jakub, TRANSFORMÁTORY, Technická univerzita v Košiciach, Fakulta elektrotechniky a informatiky
- MIKOLÁŠ Ján, TRANSFORMÁTORY, ICH VLASTNOSTI A METÓDY MERANIA, Dubnický technologický inštitút v Dubnici nad Váhom DTI DTI
- https://sk.wikipedia.org/wiki/Transform%C3%A1tor
- https://sk.wikipedia.org/wiki/Cievka_(elektrotechnika)
- https://sk.wikipedia.org/wiki/Tlmivka
- Meranie na transformátore, Elektrické stroje, Technická univerzita v Košiciach, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektrotechniky a mechatroniky
- https://sk.wikipedia.org/wiki/Magnetick%C3%A9_pole