Úvod do transformátorů a standardní konstrukce E-I

Transformátor je v podstatě velmi jednoduché statické (nebo stacionární) elektromagnetické zařízení, které pracuje na principu Faradayova indukčního zákona přeměnou elektrické energie z jedné hodnoty na jinou.

Transformátor k tomu slouží tak, že propojuje dva nebo více elektrických obvodů pomocí společného kmitavého magnetického obvodu, který vytváří jádro transformátoru. Transformátor pracuje na principu elektromagnetické indukce ve formě vzájemná indukce.

Vzájemná indukce je proces, při kterém cívka vodiče magneticky indukuje napětí do jiné cívky umístěné v její těsné blízkosti. Můžeme tedy říci, že transformátory pracují v “magnetické oblasti” a transformátory získaly svůj název podle toho, že “transformují” jednu úroveň napětí nebo proudu na jinou.

Jak transformátory umožňují distribuci energie na velké vzdálenosti

Transformátory jsou důležitými stavebními prvky elektrické sítě pro přenos a distribuci energie. Stupňování střídavého napětí na libovolnou úroveň je možné pomocí transformátoru díky Faradayovu zákonu magnetické indukce.

Vyrobené střídavé napětí se snadno transformuje na mnohem vyšší napětí pomocí zvyšovacích transformátorů a poté se rozvádí na velké vzdálenosti pomocí sítě stožárů a kabelů. Důvodem transformace napětí na mnohem vyšší úroveň je to, že vyšší distribuční napětí znamená nižší ztráty v mědi (I² × R) podél síťové kabelové sítě.

Vyšší přenosové napětí střídavého proudu se pak v místě určení sníží na mnohem nižší, bezpečnější a použitelnější napětí, které lze použít k napájení elektrických zařízení v našich domácnostech a na pracovištích.

Principy činnosti transformátoru

Transformátor je statické elektrické zařízení, které přenáší elektrickou energii (střídavý proud) z jednoho obvodu do jiného obvodu beze změny frekvence. Běžně se transformátory používají ke zvýšení nebo snížení napětí střídavého proudu v elektrických aplikacích.

Jednofázový transformátor napětí se v podstatě skládá ze dvou cívek elektrického vedení, z nichž jedna se nazývá primární vinutí a další nazvaný sekundární vinutí. Primární strana transformátoru je strana, která obvykle odebírá energii, a sekundární strana je strana, která obvykle dodává energii. U jednofázového transformátoru napětí je primární strana obvykle stranou s vyšším napětím.

Tyto dvě cívky nejsou ve vzájemném elektrickém kontaktu, ale jsou ovinuty kolem společného uzavřeného magnetického železného obvodu, tzv. jádro. Obě vinutí cívek jsou magneticky propojena společným jádrem, které umožňuje přenos elektrické energie z jedné cívky do druhé. Toto jádro z měkkého železa není celistvé, ale skládá se z jednotlivých vrstev sestavených dohromady a tvoří strukturu jádra.

Jednofázový transformátor může pracovat tak, že zvyšuje nebo snižuje napětí přiváděné na primární vinutí. Pokud se transformátor používá ke zvýšení napětí na sekundárním vinutí vzhledem k primárnímu, nazývá se transformátor step-up transformátor. Pokud se používá ke snížení napětí na sekundárním vinutí vzhledem k primárnímu, nazývá se to step-down transformátor.

• Primární vinutí - vytváří magnetický tok v jádře, pokud je připojen ke zdroji elektrické energie (tzv. primární proud).
• Sekundární vinutí - výstupy sekundární proud generované magnetickým tokem v jádře. 
• Jádro transformátoru - poskytuje nízkoreluktanční cestu, kterou se magnetický tok může pohybovat z primárního vinutí do sekundárního vinutí, a vytváří tak uzavřený magnetický obvod.

Energetická účinnost transformátoru závisí na ztráty v jádře a ztráty mědi v něm. Ztráty v jádře závisí na napětí a ztráty v mědi na proudu. Ztráty v jádře se dále dělí na hysterezní ztráta a ztráty vířivými proudy a závisí pouze na magnetických vlastnostech materiálu jádra a jeho konstrukci.

U většiny transformátorů určených pro použití v domácnostech nebo kancelářích se používá jeden ze dvou typů transformátorů. Mohou být vyrobeny buď s E-I laminát nebo Toroidní jádro.

Standardní konstrukce transformátoru E-I

V konstrukci E-I jsou odpovídající komponenty “E” a “I” vyraženy z tenkých plechů elektrotechnické oceli s orientovanou strukturou, které jsou později skládány na sebe a tvoří jádro. Primární a sekundární vinutí jsou navinuta na cívkách. Více cívek se umístí na vřetena a roztočí se, aby se vinutí naneslo.

Tento způsob použití cívek umožňuje automatizaci, která zkracuje dobu výroby, a také zajišťuje izolaci mezi vinutím a jádrem. Lamináty jádra E-I jsou naskládány uvnitř cívek, čímž je transformátor dokončen. Díky snadné konstrukci jsou standardní transformátory E-I velmi úsporné na výrobu, což je jejich hlavní výhoda.

Ačkoli jsou standardní transformátory E-I ekonomicky výhodné, mají několik omezení. Při skládání děrovaných vrstev na sebe, které tvoří strukturu jádra, vznikají drobné nedokonalosti a otřepy na hranách vrstev, které se vzájemně dotýkají, a vytvářejí tak účinnou “vzduchovou mezeru”, která snižuje úroveň provozního toku. Oddělování vinutí je běžnější u lineární konstrukce, a proto je přirozeně vyšší svodová indukčnost a bludná kapacita. Navíc volné lamely budou vibrovat na základní frekvenci, což vnáší rušivý brum (mechanický šum). Všechny tyto nevýhody mají za následek transformátor větších rozměrů s menší účinností.

Závěr

Náš moderní svět efektivní distribuce energie ve městech a na kontinentech by nebyl možný bez elektrických transformátorů. Standardní konstrukce EI představuje ekonomické řešení, které splňuje mnoho potřeb v oblasti přeměny energie, ale není bez nevýhod, pokud jde o velikost, hmotnost a účinnost.

V dalším díle našeho seriálu o toroidních transformátorech se budeme zabývat konstrukcí toroidních transformátorů a jejich výkonnostními výhodami oproti standardní konstrukci EI.