Transformátor

Transformátor[1] je měnič střídavého napětí. Skládá se ze tří hlavních částí: vinutí, magnetický obvod a izolační systém.

Primární vinutí slouží k převodu elektrické energie na magnetickou. Procházejícím proudem se vytváří magnetický tok Φ [Fí]. Tento tok je veden magnetickým obvodem (jádrem) k sekundární cívce. Účelem magnetického obvodu většiny transformátorů je zajistit, aby co nejvíce magnetických siločar procházelo zároveň primární a sekundární cívkou.

V sekundární cívce se podle principu Faradayova indukčního zákona (viz zákon elektromagnetické indukce) ${\displaystyle u_{i}=-N{\frac {d\Phi }{dt}}}$ indukuje elektrické napětí. Proto transformátor pracuje jen na střídavé nebo pulzující napětí, protože u stejnosměrného napětí se nemění magnetický tok (tj. derivace konstantního toku je nulová) a na sekundárním vinutí nevzniká žádné napětí.

Dosadíme-li do indukčního zákona dvakrát veličiny primárního a sekundárního vinutí s uvažováním, že magnetický tok je identický pro obě cívky a s uvažováním zákona zachování energie, dostaneme rovnici ideálního transformátoru (beze ztrát), kde při předpokladu u rovnosti příkonu P₁ a výkonu P₂ (cos ϕ = 1, ztráty ∆P = 0) platí:[2][3]

${\displaystyle P_{1}=P_{2}\Rightarrow U_{1}\cdot I_{1}=U_{2}\cdot I_{2}\Rightarrow p={\frac {N_{1}}{N_{2}}}={\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {I_{2}}{I_{1}}}}$

kde U₁ je napětí na primární cívce, I₁ je proud protékající primární cívkou, N₁ je počet závitů primární cívky. Indexem 2 jsou značeny veličiny sekundární cívky. Písmeno ${\displaystyle p}$ značí převod transformátoru při ${\displaystyle p>1}$ jde o snižující transformátor (napětí na sekundárním vinutí je nižší) a při ${\displaystyle p<1}$ je transformátor zvyšující .

Zjednodušený výpočet průřezu jádra jednofázového vzduchového transformátoru.

S = K₁•(P)⁻²

P je výkon transformátoru [VA], K₁ koeficient 0,8–1,2, S průřez jádra [cm²].

Součet ztrát nakrátko a naprázdno dosahuje u moderních energetických transformátorů velkých výkonů (MVA) pouze 0,5 %, účinnost je tedy 99,5 %. U malinkých transformátorů převládají ztráty nakrátko (ve vinutí) řádově 10 %.

Základní princip transformátoru

Ztráty nakrátko jsou způsobeny ohmickým odporem vodiče tvořícího vinutí primární a sekundární cívky. Vinutí je obvykle z mědi nebo hliníku. Díky průchodu proudu tímto vodičem dochází k přeměně části přenášené energie na Jouleovo teplo, které se vyzáří v podobě tepelné energie a způsobuje oteplení vinutí transformátoru. Ztráty nakrátko jsou proměnlivé podle zatížení transformátoru, tedy podle toho jak velký výkon transformátor přenáší.

Ztráty nakrátko se měří při zkratovaném sekundárním vinutí (zapojení nakrátko = do zkratu) a při napájení transformátoru sníženým napětím (tzv. zkratové napětí, též napětí nakrátko)[4] tak, aby primárním vinutím protékal jmenovitý proud (a nebo se na tyto podmínky následně přepočítávají). Ze zkratového napětí lze vypočítat zdánlivý vnitřní odpor transformátoru a tím hodnoty prvků náhradního obvodu transformátoru: odpory vinutí ${\displaystyle R_{1}+p^{2}\cdot R_{2}}$ a rozptylové toky vinutí. Zkratové napětí je charakteristickou hodnotou transformátoru a často se udává v procentech jmenovitého napětí. Čím větší je napětí nakrátko, tím menší je proud nakrátko a tím menší jsou i ztráty ve vinutí transformátoru. Transformátory s velkým zkratovým napětím jsou měkké zdroje napětí, transformátory s malým zkratovým napětím jsou tvrdé zdroje napětí.

Ztráty naprázdno jsou především v magnetickém obvodu transformátoru. Dělíme je na ztráty magnetizační a ztráty vířivými proudy.

Ztráty naprázdno se zjišťují měřením naprázdno. Při něm je transformátor napájen do primárního vinutí jmenovitým napětím a současně má všechny ostatní svorky rozpojeny = bez zátěže (na prázdno). Činný proud vstupního vinutí je tedy spotřebován na ztráty naprázdno a můžeme je z něj snadno spočítat. Z měření naprázdno určujeme: proud naprázdno, ztráty naprázdno, převod transformátoru, prvky náhradního obvodu: hlavní indukčnost, elektrický odpor odpovídající ztrátám naprázdno.

Do těchto ztrát se započítávají i méně významné děje jako je magnetostrikce – změna mechanických rozměrů magnetického obvodu úměrná magnetickému toku. Tyto periodické změny jsou pak dobře slyšitelné jako tichý tón o dvojnásobku frekvence budícího napětí.

Magnetizační ztráty jsou ztracená energie potřebná k přemagnetovávání feromagnetického materiálu při střídavém magnetování. Pro snížení ztrát se používá transformátorová ocel s příměsí křemíku.

Vířivý proud vzniká na principu Faradayova (Zákon elektromagnetické indukce). V tomto případě je to parazitní jev, kdy dochází k naindukování napětí v železném magnetickém obvodě transformátoru. Jelikož jde o kus materiálu je obvod uzavřen a může protékat zkratový proud – (Vířivý proud). Ten je kolmý na směr magnetického indukčního toku. Z důvodu snížení těchto ztrát se magnetický obvod vyrábí z navzájem izolovaných transformátorových plechů. Vířivý proud je totiž úměrný kvadrátu plochy na které se indukuje. Rozdělíme-li tuto plochu rozplechováním např. na 100 menší obdélníkových oblastí bude v každém plechu 10 000× menší ztráta vířivým proudem. Jelikož je plechů 100 jsou celkové ztráty 100× menší než v případě magnetického obvodu z jednoho kusu.

Dále sem patří ztráty vířivými proudy ve vinutí transformátoru. Pro jejich snížení se i vinutí zhotovuje složením z více navzájem odizolovaných tenčích vodičů.

Vinutí pro malé síťové transformátory jsou zhotovována z lakovaných drátů různého průměru. Cívka se navíjí na cívkové tělísko závit po závitu a jednotlivé vrstvy vinutí jsou prokládány izolací. Povrch cívky je izolován lepenkou nebo plátnem. Většina síťových transformátorků se následně impregnuje vakuotlakovou impregnací. Čím je vinutí dimenzováno na vyšší napětí a větší proudy, tím je výroba cívek obtížnější.

Y = 90 °C   B = 130 °C  G = nad 180 °C
A = 105 °C  F = 155 °C
E = 120 °C  H = 180 °C

• Odbočkami na sekundárním vinutí
• Pomocí autotransformátoru
• Rozptylovým transformátorem

• svařovací transformátor
• autotransformátor
• usměrňovací transformátor
• vysokofrekvenční transformátor
• měřící transformátor napětí
• měřící transformátor proudu
• transformátor s regulací fáze (PST)
• oddělovací transformátor
• Teslův transformátor

• Jednofázový
• Trojfázový
• Speciální (dvě nebo více fází, měniče počtu fází)

• Plášťový
• Jádrový
• Toroidní

Energetický transformátor.

• Energetické: blokový (elektrický generátor elektrárny na vedení vvn),
• Distribuční (z vedení vvn/vn ke spotřebiteli)
• Napájecí (pro transformaci nízkého napětí na vyšší napětí)
• Bezpečnostní (jako napájecí, ale zajištěná izolační pevnost – pro napájení obvodů ve zdravotnictví, v hračkách a v spotřebičích ve třídě III)
• Rozptylový (s magnetickým bočníkem, pro svařování, napájení výbojek a speciální aplikace)
• Regulační (autotransformátory, ferorezonanční stabilizátory,...)
• Měřicí (napěťové, proudové, kombinované)

• Vzduchové
• Olejové
• Zalité v tuhém izolantu

• Dvojvinuťový (primár, sekundár)
• Trojvinuťový (primár, sekundár, terciár)^[zdroj?]
• Vícevinuťový

• O – oleje
• A – vzduch
• W – voda
• L – nehořlavá izolační kapalina
• G – plyn
• S – pevný izolant

• N – přirozený
• F – nucený neřízený
• D – nucený řízený

• Hladká nádoba – do výkonu 50 kVA
• Vlnitá nádoba – do výkonu 2,5 MVA
• Nádoba s chladicími trubkami – do výkonu 20 MVA
• Nádoba s radiátorem – do výkonu nad 20 MVA

Zkoušky transformátoru lze dělit podle:

• rozsahu,
• účelu,
• počtu opakování.

Zkoušením transformátoru se ověřuje, zda splňuje předem známé kritérium. Zkoušky se provádějí a vyhodnocují:

• měřením – naměřená číselná hodnota se porovnává s předepsanou hodnotou,
• ověřením – rovnou konstatování ano/ne, například u sledu fází, kde jsou jasně dané diskrétní hodnoty.

Především teplotní zkoušky jsou časově náročné.

• převodu napětí^[zdroj?]
• izolačního odporu
• odporu vinutí za studena
• ztrát naprázdno
• charakteristiky naprázdno^[zdroj?]
• netočivé impedance^[zdroj?]
• kapacity vinutí^[zdroj?]
• ztrát nakrátko^[zdroj?]
• hluku^[zdroj?]
• elektrické pevnosti oleje^[zdroj?]

• kontrola fází^[zdroj?]
• zkouška přiloženým napětím^[zdroj?]
• zkouška indukovaným napětím^[zdroj?]
• oteplovací^[zdroj?]
• nárazovým napětím plnou vlnou^[zdroj?]
• zkratová odolnost^[zdroj?]
• nárazovým napětím kusou vlnou^[zdroj?]
• mechanické (přepínače odboček)

• Elektrické napětí
• Magnetický tok