Elektronická učebnice

Konstrukce a činnost transformátorů

Konstrukce transformátorů

Každý transformátor se skládá z magnetického obvodu a elektrického obvodu. Tyto obvody si zde podrobněji popíšeme.

Magnetický obvod transformátoru – je složen z elektrotechnických plechů, které jsou vzájemně izolovány povrchovou úpravou plechu – lakováním. Elektrotechnické plechy se na složí na sebe a tvoří tzv. jádro transformátoru. V jádru vzniká při průchodu proudu cívkami magnetický indukční tok a tím umožní vznik indukovaného napětí.

obrazek

Obr. 1: Magnetický obvod transformátoru

Elektrotechnické (transformátorové) plechy mají podle konstrukce transformátoru různé tvary, které se označují písmeny – U, E, I a M.

Např.

obrazek

Obr. 2: Složení jádra z plechů E a I

Elektrický obvod transformátoru – jsou to izolované vodiče, které tvoří tzv. cívku transformátoru. Ke zdroji střídavého napětí se připojuje primární (vstupní) cívka a ke spotřebiči se připojuje sekundární (výstupní) cívka. Obě cívky mají určitý počet závitů a mají určitý průřez vodičů podle toho, jakého chceme docílit transformačního poměru. (Poměr vstupního a výstupního vinutí).

Podle toho, jak je provedeno navinutí cívek na jádro, se transformátory dělí na:

Jádrové transformátory – vinutí obklopuje plechy
Plášťové transformátory – plechy obklopuje vinutí
Obr. 3: Jádrové a plášťové transformátory

Podle druhu napětí se transformátory rozdělují na:

Jednofázové
Trojfázové

Trojfázové transformátory mohou mít vinutí spojeny do: hvězdy, do trojúhelníku a do lomené hvězdy.

obrazek

Obr. 4: Spojení vinutí do hvězdy, trojúhelníku a lomené hvězdy

Spojení do hvězdy – začátky nebo konce vinutí jsou spojeny do jednoho bodu uzlu a konce nebo začátky vinutí se vyvedou na svorky.

Spojení do trojúhelníku – je to spojení, kdy vždy začátek jedné fáze spojíme s koncem druhé fáze.

Spojení do lomené hvězdy – vinutí každé fáze se rozdělí na dvě poloviny a ty se navinou na dvě sousední jádra.

Činnost transformátorů

Transformátor naprázdno – Je to transformátor, který je připojen pouze ke zdroji střídavého napětí, ale není k němu připojena žádná zátěž. V tomto případě prochází proud primárním vinutím a na fázorovém diagramu a obrázku je označen jako proud I₁₀, který je fázově posunut za vstupním napětím U₁ téměř o 90 stupňů. Je to tím, že transformátor představuje indukční zátěž. Tento proud má dvě složky. Proud Iµ = Ij se nazývá magnetizační proud a jeho fázor je kolmý k fázoru vstupního napětí U1 a činný proud I_Fe = I_č, který je ve fázi se vstupním napětím U₁. Jaké to jsou druhy proudy?

Magnetizační proud Iµ slouží pro vznik magnetického pole v jádru, tedy vybudí magnetický indukční tok Φ₁.

Proud I_Fe kryje ztráty ve vstupním vinutí a v magnetickém obvodu (železe).

Magnetický indukční tok Φ1 způsobí naindukované napětí – Ui1 ve vstupním vinutí a naindukované napětí Ui2 ve výstupním vinutí. Obě tato napětí se za magnetickým indukčním tokem zpožďují o 900 a tím pádem jsou vzájemně v protifázi (fázový posun mezi nimi je 180 stupňů).

Poměr indukovaných napětí Ui1/Ui2 = p a to je tzv. transformační poměr. Pro transformátor naprázdno potom platí:

U₁ / U₂= N₁ / N₂ = p

Kde N₁ a N₂ jsou počty závitů vstupní a výstupní cívky. Zde vidíme, že napětí jsou přímo úměrná počtu závitů.

Pozn. Při zapnutí nezatíženého transformátoru vznikne v síti tzv. proudový náraz, což je proud až 15 krát vyšší než je proud jmenovitý. Po několika periodách se proud ustálí podle velikosti transformátoru.

Obr. 5: Činnost transformátoru naprázdno

Zatížený transformátor – Je to transformátor, kde na k výstupnímu vinutí připojíme zátěž. Zde na rozdíl od nezatíženého transformátoru začne výstupním vinutím N₂ protékat proud I₂ při napětí U₂. Tento proud vybudí v jádru druhý magnetický indukční tok Φ₂ a ten je podle Lenzova pravidla v protifázi s magnetickým indukčním tokem Φ₁. Tyto dva toky se vektorově sečtou a vznikne výsledný magnetický tok Φ. Velikosti proudů a napětí ve vstupním a výstupním vinutí budou závislá na zatížení nebo odlehčení transformátoru.

Např. při zatížení transformátoru se zvýší proud ve výstupním vinutí I₂ a tím se sníží magnetický indukční tok Φ₂. To způsobí krátkodobé snížení výsledného magnetického toku Φ, což má za následek nižší indukované napětí U_i1 ve vstupním vinutí. Indukované napětí U_i1 působí proti vstupnímu napětí U₁, které protlačí vinutím větší proud a tím se zvýší výsledný magnetický proud Φ.

Pro zjednodušení si uvedeme transformační poměr pro ideální transformátor:

p = U₁/ U₂ = I₂/ I₁ = N₁/ N₂

Proudy a průřezy vodičů vinutí N₁ aN₂ jsou v převráceném poměru. Z toho vyplývá, že vodič vinutí s větším počtem závitů je pro vyšší napětí a protéká jím velký proud a má menší průřez a naopak.

obrazek

Obr. 6: Zatížený transformátor

Transformátor nakrátko – Je to transformátor, který má výstupní vinutí spojeno tzv. bezodporovou spojkou. Tím bude výstupní napětí U₂ nulové a vstupní napětí U₁ se celé spotřebuje ve vinutí transformátoru. Potom hovoříme o důležitém parametru takového transformátoru a to je proud nakrátko. Vycházíme z Ohmova zákona, ale musíme si uvědomit, že vinutí nemá jen činnou zátěž. Proto platí:

I_1k = U₁ / Z

Kde Z je Impedance transformátoru.

Pozn. Zkratové proudy jsou pro transformátory nebezpečné, protože obecně mají malou impedanci. Mechanicky i tepelně zatěžují transformátor. Proto se při výrobě transformátoru musí dbát hlavně na pevné spojení a utažení elektrotechnických plechů, jinak by dynamické síly poškodily hlavně izolaci vodičů vinutí.

Na štítku transformátoru se proto udává důležitý údaj a to je procentní napětí nakrátko. Zjišťuje se měřením na transformátoru nakrátko_.

Tento údaj je důležitý hlavně při paralelním spojování transformátorů.