Spis treści:
- 1 Transformátor - co to je a jak funguje?
- 2 Transformátory všude kolem nás
- 3 Transformátory - různé konstrukce, různé účely, společný princip činnosti
- 4 Co je to transformátor?
- 5 Konstrukce klasického transformátoru
- 6 Jak funguje transformátor?
- 7 Proč transformátory "bzučí"?
- 8 Transformátory pro napájení různých mobilních a stacionárních zařízení.
- 9 Výkonové transformátory: z elektráren do továren, kanceláří a domácností
- 10 Když vám dojde měřítko: měření transformátorů
- 11 Zkušební transformátory: Dojde k průrazu?
- 12 Pod žlutou páskou: pulzní transformátory
- 13 Bezpečnost především: oddělovací transformátory
- 14 Na jednom vinutí: autotransformátory
- 15 Sladění impedance: reproduktorové transformátory
- 16 Bez jiskry nepojedete a ani neposekáte trávu: zapalovací cívky
Transformátor - co to je a jak funguje?
Najdete je v domácích elektrických spotřebičích i v obřích elektrárnách. Seznamte se s transformátory!
Transformátory všude kolem nás
Transformátory - různé konstrukce, různé účely, společný princip činnosti
Svět kolem nás je přesycen elektrickými a elektronickými zařízeními s neuvěřitelně rozmanitými účely. Stojí za to věnovat pozornost jejich napájení – jak spotřebičů, tak zařízení, která elektřinu vyrábějí a přeměňují ji na elektřinu s jinými parametry. Jednou z takových součástí, která je obzvláště rozšířená, je transformátor. V závislosti na své konstrukci a účelu mají transformátory různé provozní parametry – jiný transformátor použijete pro zvýšení napětí na výstupu elektrocentrály, jiný pro audio zesilovač a jiný pro sestavení spínaného zdroje pro elektromedicínské přístroje.
Navzdory těmto rozdílům zůstává jmenovatel jeden – princip fungování, který se opírá o pevně vyvinutý matematický a fyzikální základ, potvrzený experimentálně.
Co je to transformátor?
Nejprve si zodpovězme otázku – co je to transformátor? Obecně řečeno je to netočivý elektrický stroj, který je určen k přeměně parametrů elektrické energie, tj. střídavého proudu a napětí v časové oblasti, pomocí magnetické vazby. Zjednodušeně řečeno se transformátor skládá ze dvou indukčních cívek. Nejběžnějším použitím transformátorů je přizpůsobení provozních napětí jednotlivých obvodů, které pracují společně, konkrétním požadavkům – jiné napětí bude potřeba pro přenos energie z elektrárny do továrny a jiné pro napájení domácích elektrických spotřebičů. Přenos energie na delší nebo kratší vzdálenosti má obzvláště velký hospodářský význam. Podle principu zachování zdánlivé výkonové rovnováhy, zvýšíme-li napětí pomocí transformátoru například dvakrát, bude proud ve vinutí pracujícím při dvojnásobném napětí dvakrát menší. Čím nižší je proud, tím nižší jsou ztráty v odporu a reaktanci vodičů. Výkon transformátorů se obvykle vyjadřuje ve voltampérech (VA) nebo v jednotkách zdánlivého výkonu. V závislosti na účelu použití se může výkon transformátorů lišit – u domácích a dílenských elektrických spotřebičů se může pohybovat od zlomků voltampéru až po několik kilovoltampérů (kVA), zatímco u výkonových transformátorů jde výkon do stovek megavoltampérů (MVA) a někdy dokonce přesahuje 1 GVA.
Konstrukce klasického transformátoru
Standardní, jedna z nejjednodušších konstrukcí transformátoru používá železné jádro složené z plechových svazků z elektrotechnické oceli. Tento svazek plechů tvoří magnetický vodič neboli magnetický obvod transformátoru. Jádra mohou mít různé tvary – nejběžnější jsou jádra EI, EE, UI a také toroidní jádra. Použití plechů místo plného jádra snižuje ztráty výkonu způsobené hysterezí a vířivými proudy. Nejjednodušší transformátor má dvě vinutí, která jsou od sebe elektricky oddělena – primární vinutí a sekundární vinutí. Každé vinutí je navinuto měděným (nebo méně často hliníkovým) drátem pokrytým vrstvou izolačního smaltu. Vinutí jsou navinuta na plastovém tělese, které má svorky pro začátky a konce jednotlivých vinutí.
Jak funguje transformátor?
Pro účely naší diskuse popíšeme princip činnosti jednofázového dvouvinuťového transformátoru. Primární vinutí je připojeno ke zdroji sinusově střídavého napětí a sekundární vinutí je připojeno k zátěži. Je-li primární obvod uzavřen, protéká jím sinusově střídavý proud. Průtok proudu v primárním vinutí vytvoří magnetický tok, který musí mít uzavřenou dráhu – vznik magnetického toku by nebyl možný, kdybychom na primární vinutí přivedli stejnosměrné napětí. Tok magnetického toku v jádře podle Faradayova indukčního zákona vyvolává elektromotorickou sílu v sekundárním vinutí. Protože je sekundární obvod uzavřen impedancí přijímače, bude v tomto vinutí protékat proud. Elektromotorická síla indukovaná v sekundárním vinutí bude mít hodnotu, která úměrně závisí na počtu závitů tohoto vinutí a na rychlosti změny magnetického toku v jádře v čase (derivace).
Proč transformátory "bzučí"?
V případě transformátorů pracujících na síťové frekvenci, tj. 50 Hz nebo 60 Hz, je charakteristickým rysem více či méně slyšitelné “bzučení”. Frekvence tohoto bzučení odpovídá dvojnásobku síťové frekvence. To znamená, že například při polské frekvenci napětí bude slyšet tón o frekvenci 100 Hz a při americké frekvenci napětí tón o frekvenci 120 Hz. Toto charakteristické bzučení je způsobeno jevem magnetostrikce. Když si vezmeme pod lupu, co se děje v plechách, které tvoří jádro transformátoru, pozorujeme uspořádaný pohyb magnetických dipólů, které podle časového průběhu a frekvence magnetického toku v jádře změní svou polaritu. V důsledku tohoto jevu dochází k mikroskopickému stlačování a roztahování plechů, jehož vedlejším účinkem je právě charakteristické “bzučení” – čím více je transformátor zatížen, tím větší bude šum.
Transformátory pro napájení různých mobilních a stacionárních zařízení.
Transformátory jsou nedílnou součástí konstrukce napájecích zdrojů pro domácí elektrické spotřebiče – to platí jak pro napájecí zdroje v tělese spotřebiče, tak pro vnější zdroje. Pomocí napájecího zdroje s transformátorem, který pracuje na síťové frekvenci, lze snížit napětí 230 V na bezpečnou úroveň napětí (např. 24 V, 12 V, 9 V a další), pro kterou je spotřebič určen. Rozlišujeme napájecí zdroje střídavého napětí, které se skládají pouze z transformátoru, a napájecí zdroje stejnosměrného napětí, kde je na straně vinutí nižšího napětí přítomen také usměrňovací můstek a kondenzátory a u stabilizovaných napájecích zdrojů také regulátor napětí.
Výkonové transformátory: z elektráren do továren, kanceláří a domácností
Největšími transformátory z hlediska velikosti a přenášeného výkonu jsou výkonové transformátory. Jsou to spojky mezi různými uzly energetické soustavy, které pracují na různých napěťových úrovních. V Polsku ve státní elektrizační soustavě transformátory spojují sítě nejvyššího napětí (NN) 400 kV a 220 kV, sítě vysokého napětí (VN) 110 kV, sítě středního napětí (VN) 20 kV, 15 kV, 10 kV a 6 kV a sítě nízkého napětí (NN) 0,4 kV/0,23 kV. Jedná se o třífázové transformátory, tj. transformátory, které mají na jádře po třech vinutích pro obvody horního a dolního napětí.
V závislosti na napěťové úrovni jsou vinutí navzájem spojena do trojúhelníku, izolované hvězdy nebo uzemněné hvězdy. Fázový posun 120° mezi jednotlivými vinutími má za následek vznik mezifázového napětí. Transformace napětí v elektrizační soustavě se provádí za účelem snížení přenosových ztrát na vedeních. Kromě toho se v elektroenergetice používají také fázové střídače – transformátory, které umožňují regulovat fázový posun mezi proudy a napětími na jednotlivých fázích, aby se zavedla změna rozložení činného a jalového výkonu.
Když vám dojde měřítko: měření transformátorů
Pomocí přístrojů, jako je voltmetr nebo ampérmetr, které se nacházejí samostatně nebo spojené v multimetru, lze měřit proudy a napětí. Problém nastává, když měřené veličiny přesáhnou měřicí rozsah přístroje. K tomuto účelu se používají transformátory proudu a napětí – speciální měřicí transformátory, které lze nalézt především ve výzkumných a vývojových laboratořích a také v elektroenergetice. Transformátory proudu se používají k měření proudu a pracují ve stavu blízkém zkratu – primární vinutí transformátoru je zapojeno přímo do série s obvodem, v němž se měří proud, a sekundární vinutí je uzavřeno ústím měřicího přístroje. Naproti tomu transformátor napětí pracuje ve stavu blízkém přerušení obvodu a umožňuje měření napětí. Jeden z pólů na straně sekundárního obvodu je uzemněn. Transformátory se v elektroenergetice používají v systémech automatické ochrany a pro účely účtování elektřiny.
Zkušební transformátory: Dojde k průrazu?
Než se vybuduje další část elektrické infrastruktury, přes kterou bude proudit elektřina ke spotřebitelům, je nutné důkladně otestovat všechny komponenty, které tuto infrastrukturu tvoří – bez ohledu na to, zda elektřina pochází z tepelné, větrné nebo fotovoltaické elektrárny. Správně fungující generátory, transformátory a přenosová vedení by měly být vybaveny také správnou sadou izolátorů. Z tohoto důvodu jsou elektroizolační systémy před opuštěním výrobního závodu přísně testovány na mechanickou a elektrickou pevnost. Při zkouškách elektrické izolace se používají zkušební transformátory, což jsou jednofázové transformátory pro zkoušení elektroizolačních materiálů a z nich vyrobených součástí proti provozním a poruchovým napětím při síťové frekvenci. Pro zvýšení zkušebního napětí se k hornímu napěťovému vinutí připojují kaskádové kondenzátory vhodné pro přiměřeně vysoké napětí.
Pod žlutou páskou: pulzní transformátory
Pokud jste někdy viděli vnitřek počítačové napájecí jednotky, je velmi pravděpodobné, že jste si všimli transformátoru se žlutou izolační páskou na vinutí. S největší pravděpodobností se jednalo o pulzní transformátor! Takové transformátory se používají ve spínaných napájecích zdrojích a dalších výkonových elektronických měničích, v nichž dochází ke spínání proudů a napětí s frekvencí několika tisíc hertzů.
Pulzní transformátor převádí a upravuje úroveň napětí podle aplikace – podle toho, zda chcete napětí snížit nebo zvýšit. Vzhledem k vysokým spínacím frekvencím vyžadují pulzní transformátory nanokrystalická jádra, aby se minimalizovaly hysterezní ztráty a vířivé proudy.
Bezpečnost především: oddělovací transformátory
Z hlediska základní konstrukce a principu činnosti se oddělovací transformátory nijak neliší od běžných transformátorů, které najdeme například v lineárních napájecích zdrojích, ale mají jednu zvláštnost – jejich poměr je 1. To znamená, že napětí na sekundárním a primárním obvodu je stejné. Takové transformátory se používají všude tam, kde je zvýšené riziko úrazu elektrickým proudem, např. v důsledku nadměrné vlhkosti. Je-li spotřebič napájen přes oddělovací transformátor, nebude mít proud v případě poškození primární izolace uzavřenou zpětnou cestu. Aby bylo toto kritérium splněno, nesmí být oddělovací transformátor připojen k zemi, protože v případě zemního spojení se poškozený obvod uzavře přes těleso k zemi a může dojít k úrazu elektrickým proudem. Při dílenských pracích na elektronice, zejména při napětí na úrovni sítě nn a vyšším, je důležité zachovat zvýšenou bezpečnost. K tomuto účelu se používají také oddělovací transformátory, které například elektricky oddělují měřicí přístroj od zkoušeného systému. To platí zejména pro ochranu osciloskopů, kde je uzemnění fyzicky spojeno s uzemněním osciloskopu.
Na jednom vinutí: autotransformátory
Zvláště zajímavým případem transformátorů jsou autotransformátory. Od klasického dvouvinutého transformátoru se liší tím, že autotransformátor má jedno vinutí s odbočkami a přepínačem odboček. Nevýhodou tohoto řešení je absence galvanického oddělení. Takový transformátor má však také velmi důležitou výhodu, že umožňuje poměrně přesnou regulaci napětí s malým převodovým poměrem. Autotransformátory se používají v elektroenergetice pro transformaci velmi vysokého napětí (NN) na vysoké napětí (VN). Takové konstrukce používají automaticky řízený přepínač odboček v Jansenově uspořádání, kde doba skoku mezi jednotlivými odbočkami odpovídá pouze jedné periodě základní složky síťového napětí (0,02 s při 50 Hz). Setkáváme se také s laboratorními autotransformátory, kde se regulace provádí pomocí knoflíku ovládajícího polohu uhlíkového kartáče. Zajímavostí je, že autotransformátor používal americký kytarista Edward Van Halen – změnou napájecího napětí svého lampového kytarového zesilovače ovlivňoval výsledný zvuk!
Sladění impedance: reproduktorové transformátory
Existuje skupina elektroakustických zesilovačů, která má kromě výkonového transformátoru ještě druhý transformátor – to se týká elektronkových zesilovačů, u nichž je alespoň výkonový stupeň vyroben na elektronkách. V takových zesilovačích je nutné použít reproduktorový transformátor. Jeho úkolem je sladit vysokou výstupní impedanci výkonového stupně s nízkou impedancí reproduktoru. V takovém transformátoru pro zesilovač v topologii push-pull má vinutí na straně elektronky středovou odbočku, ke které je připojeno napětí napájející anody elektronky, k nimž jsou připojeny krajní konce vinutí transformátoru. Druhé vinutí je naproti tomu navinuto silnějším drátem a má méně závitů ve vztahu k vinutí na straně elektronek – k tomuto vinutí jsou připojeny svorky reproduktoru. U stereofonních zesilovačů jsou zapotřebí dva reproduktorové transformátory. Reproduktorové transformátory se používají také v rozhlasových vysílačích ke snížení přenosových ztrát na propojovacích vodičích mezi zesilovačem a reproduktory.
Bez jiskry nepojedete a ani neposekáte trávu: zapalovací cívky
Benzínové motory jsou základem mnoha automobilů, motocyklů nebo sekaček na trávu. V těchto motorech se tepelná energie uvolněná při spalování směsi benzínu a vzduchu přeměňuje na mechanickou energii vratného pohybu jednotky píst-klika- klikový hřídel, což vede k rotačnímu pohybu klikového hřídele. Při provozu čtyřdobého pístového motoru se směs benzínu a vzduchu zapaluje jednou za dvě otáčky klikového hřídele. Aby k tomuto jevu došlo, krátce před tím, než píst dosáhne bodu GMP (horní mrtvý bod), je mezi elektrodami zapalovací svíčky přivedeno vysoké napětí, které způsobí přeskok jiskry mezi středovou a boční elektrodou. K vytvoření vysokého napětí v zapalovacím systému se používá transformátor zvaný zapalovací cívka. Na jeho vinutí s nižším napětím je napětí přiváděno pulzně – dříve prostřednictvím elektromechanického přerušovače a dnes prostřednictvím elektronicky řízeného tranzistoru. Rychlý rozpad magnetického toku v jádře takového transformátoru způsobí, že se v jeho horním napěťovém vinutí objeví dostatečně vysoké napětí, které vede k proražení mezielektrodové mezery – a tím pádem se motor nezastaví a vy můžete jet dál!
