Transformátor je elektrický stroj sloužící k přenosu střídavé energie indukcí z jednoho elektrického obvodu do druhého se změnou parametrů. Protože nemá žádné pohyblivé části, lze jej klasifikovat jako zařízení.
Obsah
- Princip činnosti
-
Hlavní konstrukční části
- Magnetické jádro
- Vinutí a izolace
Hlavní části transformátoru - jádro a vinutí - jsou skutečně stacionární a nepřeměňují elektrickou energii na mechanickou, takže oba pojmy (stroj a zařízení) budou správné.
Princip činnosti
Zařízení transformátoru je založeno na Faradayově zákoně, podle kterého může střídavé magnetické pole způsobit na koncích smyčky z vodiče střídavé napětí. V nejjednodušším transformátoru je tento jev vyvolán ovinutím několika závitů drátu kolem jádra vyrobeného z magnetického materiálu. Obvykle existují dva typy vinutí:
- primární (připojený ke generátoru, síti nebo jinému zdroji);
- sekundární (připojeno k zátěži).
V podstatě jakékoli dvě (nebo více) induktorů, které jsou dostatečně blízko u sebe, budou fungovat jako transformátor. A čím více jsou magneticky spojeny, tím je jejich práce efektivnější.
Se změnami magnetického pole způsobenými průchodem střídavého elektrického proudu primárem vinutí se v sekundárních vinutích indukuje napětí plně v souladu s přiloženým magnetickým pole.
Tento princip se používá i u alternátorů, elektromotorů a reproduktorů.
Hlavním úkolem transformátorů je zvýšit nebo snížit napětí s odpovídajícím zvýšením nebo snížením proudu. Každý z nich, bez ohledu na jeho účel a roli v elektrických obvodech, má s takovými společnými rysy:
- na základě zákona elektromagnetické indukce;
- frekvence vstupního a výstupního proudu je stejná;
- primární a sekundární vinutí jsou bez elektrického spojení - výkon je přenášen pouze magnetickým tokem.
Hlavní konstrukční části
Velikosti transformátorů se pohybují od miniaturních pro přenos méně než jedné tisíciny voltampéru až po obrovské jednotky o hmotnosti více než 100 tun, pracující s kapacitou několika milionů voltampérů. A používají se k různým účelům.
V souladu s tím jsou vybaveny různými variantami schémat vinutí, typů jader a materiálů pro výrobu konstrukčních dílů. Kromě toho může konstrukce transformátoru zajistit integraci pomocných systémů, jako je nucené kapalinové nebo vzduchové chlazení.
Magnetické jádro
Schopnost látky přenášet magnetické pole se nazývá permeabilita. Tato hodnota u jader kolísá v širokém rozmezí v závislosti na použitých materiálech a způsobu jejich zpracování. Propustnost vzduchu je rovna jedné. Většina tradičních jader má mnohem vyšší hodnotu. Vlastnosti některých materiálů, které se používají jako magnetický obvod:
- Vzduch. Poskytuje horší zadržení průtoku, ale ideální pro vysoké frekvence.
- Transformátorové oceli. Propustnost 500 a vyšší.
- Práškové kompozity. Vyrábí se slinováním magnetických částic s pojivem a následným vypalováním. Výsledný keramický materiál má vynikající vlastnosti při frekvencích nad 1 MHz. Propustnost od 40 a výše.
- Ferity. Magnetická keramika se obvykle vyrábí za použití exotických magnetických materiálů. Extrémně vysoká propustnost (500 až 9000 a více) a vynikající výkon od 50 kHz do 1 MHz.
Teoreticky jsou práškové kompozity a ferity klasifikovány jako měkké. Tato vlastnost nemá nic společného s jejich fyzikálními vlastnostmi, ale naznačuje jejich vhodnost pro remanenci. Pevné magnetické materiály se používají pro permanentní magnety a jsou schopny udržet většinu původně indukovaného magnetického pole v nich.
Magnetické obvody transformátorů jsou vystaveny střídavému poli, kterého je u masivních vodičů schopno indukují tzv. vířivé proudy - obyčejné indukční proudy, které uzavřely svůj pohyb uvnitř vrstev dirigent.
Tento jev vede k přenosovým ztrátám a přehřívání transformátoru. Účinným způsobem řešení vířivých proudů je použití laminovaných (tažených z izolovaných desek) jader. V tomto případě je pro dobrý výsledek důležité zajistit správné směry magnetických toků v konstrukci transformátoru.
Vinutí a izolace
Jako hlavní proudový vodič ve vinutí transformátoru se používají dva typy drátů - hliník a měď. První jmenované jsou mnohem lehčí a zpravidla levnější. Hliníkové dráty musí mít větší průřez, aby přenesly stejné množství proudu jako měděné dráty. Proto se používají ve stacionárních výkonových transformátorech. Pro nízkonapěťové elektrické sítě a obvody je použití měděných drátů opodstatněné, protože mají větší pevnost a kompaktnost ve vinutí.
Aby se zabránilo sepnutí kontaktujících závitů, jsou předizolovány. Pro vzduchem chlazené transformátory se zpravidla používá hotový drát se smaltem nebo v hedvábném opletu.
U velkých výkonových a distribučních transformátorů jsou vodiče od sebe izolovány papírem nebo látkou nasáklou olejem. V tomto provedení jádro spolu s vinutími pracuje ponořeno v utěsněné nádrži s transformátorovým olejem. Ten slouží jako izolant a chladivo.
K boji proti vířivým proudům ve vinutí často používají lankové vodiče. V případech s transformátory s velmi vysokým výkonem se ze stejného důvodu používají pásky a pásky z mědi nebo hliníku.
Primární a sekundární vinutí mohou mít vnější spojení v mezilehlých bodech vinutí. Jejich účelem je poskytnout volbu v poměru přiváděného a odebíraného napětí.
Tato zařízení jsou extrémně rozmanitá a lze je použít nejexotičtějšími způsoby: v počítačových síťových kartách a modemech, výkonových zesilovačích a mikrovlnných troubách, automobilové a lodní zapalovací systémy, pohyblivé cívky phono stage a Tesla cívky, napájecí jednotky - to je jen malý výčet mnoha typů transformátory.
