Konstrukce a princip

Jednofázový transformátor

Tato lekce se zabývá principem a konstrukcí jednofázového transformátoru.

Princip činnosti

Transformátory jsou elektrické stroje, které pracují na principu elektromagnetické indukce, kdy v primárním vinutí se při průchodu střídavého elektrického proudu vytváří elektromagnetické pole, které se v sekundárním vinutí přemění opět na elektrický proud o jiné velikosti, to znamená, že přeměňují střídavý proud o určitém napětí na střídavý proud o jiném napětí. Při transformaci proudu dochází ke změně napětí a proudu, ale frekvence se nemění.

obrazek

Obr. 1: Princip [1]

Připojíme-li vstupní cívku ke střídavému napětí, vytvoří proud procházející touto cívkou v železném jádře střídavé magnetické pole, které indukuje napětí v závitech výstupní cívky. Poměr vstupního napětí U₁k výstupnímu napětí U₂ je převod p transformátoru (lze jej značit také velkým písmenem K). Při zanedbání úbytků (ideální transformátor) odpovídá převod poměru počtu závitů.

Převod transformátoru

obrazek

Ve vztazích představují U₁, N₁, I₁ napětí, počet závitů a proud ve vstupní cívce (primární) a U₂, N₂, I₂ pak napětí, počet závitů a proud ve výstupní cívce (sekundární).

Konstrukce transformátoru

Transformátory mohou být konstruovány jako jednofázové nebo trojfázové. Jednofázové sestávají se ze dvou nebo více cívek, které jsou od sebe elektricky odděleny (výjimkou jsou autotransformátory). Cívky jsou magneticky vázány společným železným jádrem (magnetizovatelný feromagnetický materiál), na kterém jsou navinuty. Magnetizační obvod bývá z izolovaných transformátorových plechů o tloušťce 0,5mm nebo 0,35mm. Aby byl magnetizační proud co nejmenší, je magnetický obvod uzavřen bez vzduchové mezery.

Existuje široká škála konstrukčních řešení transformátorů v závislosti na výkonu, kmitočtu a aplikaci.

Hlavní části transformátoru

magnetický obvod
vinutí
nádoba naplněná olejem
víko nádoby s příslušenstvím

Provedení magnetického obvodu - uspořádání cívek

plášťové
jádrové

Plášťové transformátory

Plechy u nich částečně obklopují vinutí a tím dochází k menšímu rozptylu magnetického toku a k jeho souměrnějšímu rozdělení => lepší magnetická vazba. Magnetický obvod tvoří střední sloupek, spojky a krajní sloupky. Spojky a krajní jádra mohou mít poloviční průřez než jádra s vinutím, neboť jimi prochází poloviční magnetický tok. Nevýhodou je jeho větší hmotnost a horší chlazení, které má na svědomí „plášť“ vytvořený z plechů kolem cívek.

obrazek obrazek

Obr. 2: Plášťový transformátor [2]

Jádrové transformátory

U těchto transformátorů jsou jednotlivá vinutí umístěna na jednotlivých jádrech. Nevýhodou tohoto řešení je větší magnetický rozptyl, zejména pokud je primární a sekundární vinutí umístěno každé na jednom jádře. Rozptyl se ovšem dá zmenšit tím, že se obě vinutí rozdělí na dvě části a každá se umístí na jednotlivý sloupek => na každém jádru jsou pak obě vinutí. Oproti plášťovému provedení se jádrová lépe ochlazují. V případě, že primární a sekundární cívky jsou oddělené, tak se dají snadno opravit -„převinout“. Převine se jen poškozená cívka. Plášťové provedení má obě cívky vždy navinuty „na sobě“, převinutí je tedy náročnější. Vzhledem k tomu, že jsou cívky transformátoru samostatné, má to další výhodu z hlediska vyšší vzájemné izolace, a tedy i bezpečnosti.

obrazek obrazek

Obr. 3: Jádrový transformátor [2]

Toroidní transformátory

Obvykle jsou cívky těchto transformátorů navinuty okolo feromagnetického jádra tvaru prstence (tzv. toroidu). Nacházejí uplatnění ve vysokofrekvenčních aplikacích a jádra s vysokou permeabilitou pak tam, kde je vyžadována velká citlivost indukovaného napětí v sekundárním vinutí na změny magnetizačního proudu a kde je požadováno minimální zkreslení přenášeného signálu. Hodí se i k výrobě tlumivek s velkou indukčností. Vykazují malé ztráty při magnetování střídavým proudem. Pro dosažení ideálních magnetických vlastností se doporučuje dodržet poměr výška / vnějším průměrem toroidního jádra < 2,5.

obrazek