Transformátory (teorie 1.)

Transformátor je stroj bez pohyblivých části, který mění velikost napětí střídavého proudu při nezměněném kmitočtu. Transformátor se skládá z uzavřeného magnetického obvodu, složeného z křemíkových plechů a obvykle ze dvou vinutí. Vstupní vinutí P (primární) je napájeno ze zdroje střídavého proudu. Z výstupního vinuti S (sekundárního) odebíráme napětí jiné velikosti.

obr. 1

Při chodu naprázdno je výstupní vinuti otevřeno a transformátor odebírá ze sítě proud potřebný pro vybuzení magnetického toku v magnetickém obvodu.  Střídavý magnetický tok indukuje v jednom závitu každého vinutí napětí u₁.

Má-li výstupní vinutí N₂  závitů, indukuje se v něm napětí.

Ve vstupním vinutí, které má N₁  závitů indukuje tentýž střídavý tok napětí

Poměr indukovaných napětí obou vinutí (cívek) transformátoru

je roven poměru počtu závitů a nazývá se převodem transformátoru.
Zanedbáme-li poměrně malé úbytky napětí ve vstupním vinutí transformátoru, můžeme místo indukovaných napětí dosadit svorková napětí, takže velmi přibližně platí:

Napětí se transformuje v přímém poměru počtu závitů.

Protéká-li při zatížení sekundárním obvodem proud  I₂ , pak spotřebič odebírá z transformátoru výkon

Tento výkon se musí transformátoru přivést ze zdroje při napětí U₁ a proudu  I₁ ; je tedy

Zanedbáme-li ztráty v transformátoru, můžeme psát, že příkon se rovná výkonu; pak platí

Jestliže se  cosj₁  rovná  cosj₂ , dostaneme

a z toho pak

Proudy v transformátoru jsou v nepřímém poměru k převodu.

Z posledního vztahu také plyne rovnost magnetomotorických napětí

Jmenovitý výkon transformátoru je zdánlivý výkon v kVA nebo v MVA podle štítku, a to při jmenovitém proudu a jmenovitém napětí na straně výstupní a při jmenovitém kmitočtu a sinusovém průběhu napětí na straně vstupní.

Jmenovitý proud transformátoru na straně vstupní i výstupní vypočítáme jen ze jmenovitých hodnot výkonu a napětí.

Příklad: Jednofázový transformátor 5 kVA, 3 000/120 V má v primárním vinutí 2 250 závitů. Určete velikost primárního a sekundárního proudu a počet závitů v sekundárním vinutí.

Magnetický obvod se skládá z transformátorových křemíkových plechů. Aby byly ztráty vířivými proudy malé, musí být jednotlivé plechy proti sobě dobře izolovány. Izolujeme je papírem, lakem nebo fosfátováním.

Používané transformátorové plechy mívají měrné ztráty  Dp_1,0  =1,3 až 1,1 W/kg i méně podle jakosti. Orientované plechy a keramic­kou izolací mají měrné ztráty  Dp_1,0  =0,7 až 0,35 W/kg . Magnetický obvod je tvořen jádry a spojkami. Na jádrech je navlečeno vinutí (cívky).

Podle konstrukce magnetického obvodu rozeznáváme transformátory jádrové, vinutí obklopuje plechy (obr. 2), a plášťové, plechy obklopují vinuti. Jednofázový transformátor jádrový má dvě navi­nutá jádra a polovicí vinutí vyššího napětí vn a s polovicí vinuti nižšího napětí nn a dvě spojky. Jednofázový plášťový transformátor má navinuté jen prostřední jádro, na němž je cívka vyššího i nižšího napětí. Spojky mají poloviční průřez a jsou uzavřeny po obou stra­nách nenavinutými krajními jádry rovněž polovičního průřezu.

obr. 2

Průřez jader bývá čtvercový, obdélníkový, křížový nebo několikrát odstupňovaný, aby se kruhový otvor cívky co nejvíce vyplnil jádrem (nejkratší obvod, úspora mědi nebo hliníku, obr. 3).

obr. 3

Cívky transformátoru jsou bud válcové, nebo kotoučové. U vinutí Pákového (obr. 2) jsou cívky vyššího i nižšího napětí soustředně na sobě, cívky nižšího napětí obvykle bliž k jádru. Válcové vinutí bývá nejčastěji u jádrových transformátorů. Stavíme je se svislou osou, aby kolem vinutí mohl vzduch nebo olej přirozeně proudit.

U vinutí kotoučového (obr. 4) jsou cívky vyššího a nižšího napětí střídavě na jádře. Tohoto vinutí používáme nejvíce u plášťových transformátorů a pro magnetickou souměrnost dáváme na konce jader poloviční cívky nižšího napětí. Kotoučové vinutí se staví s vodorovnou osou, aby chladicí kanály mezi cívkami byly svislé.

obr. 4

V transformátoru vznikají ztráty v železe a ve vinutí. Ztráty se mění v teplo, které se musí z transformátoru odvádět. Podle chladicího prostředí, které se bezprostředně stýká s vinutím a se železem transformátoru, rozeznáváme transformá­tory vzduchové a transformátory olejové.

Olej v transformátoru odvádí teplo a izoluje. U olejového transformátoru je vlastní transformátor (magnetický obvod s vinutím) ponořen do nádoby naplněné olejem. Teplo se odvádí olejem na povrch nádoby a odtud vyzařuje do okolního vzduchu.
Pro zvláštní účely rozeznáváme např. transformátory pecové, ohřívací, přepínací, rozptylové apod.
Podle počtu fází jsou transformátory jednofázové, trojfázové, šesti­fázové, dvanáctifázové i vícefázové.