SOUE: Jak nás učili princip transformátoru (1971)

Co je transformátor?
Transformátor je nejjednodušší elektrický stroj bez pohyblivých částí, který zvyšuje nebo snižuje napětí střídavého proudu na principu elektromagnetické indukce. Při transformaci napětí se frekvence střídavého proudu nemění.

Z čeho se skládá transformátor?
Transformátor se v zásadě skládá z železného magnetického obvodu a dvou vinutí. Cívky jsou na železném jádře, které se skládá z plechů, aby vířivé proudy a ztráty v železe byly co nejmenší. První cívka P je primární vinutí, druhá cívka S je sekundární vinutí. Do primární cívky P přivádíme elektrickou energii, ze sekundární cívky ji odvádíme obvykle s vyšším nebo nižším napětím než v primární cívce. 

Primární vinutí P je připojeno k síti (zdroj). Primární strana transformátoru je tedy spotřebičem. Na síť připojíme primární cívku, v níž se jedna forma energie (elektrická) mění na jinou formu energie (magnetická) a tato se elektromagneticky přenáší (přes železné jádro) do sekundární cívky, kde se mění na původní formu (elektrickou). Transformovaná energie se odebírá ze sekundární cívky spotřebiči. Sekundární cívka transformátoru tedy představuje zdroj proudu.

Jaký proud lze transformovat?
Transformovat lze pouze střídavý proud nebo proud s měnící se hodnotou (tepelný, pulzní). Stejnosměrný proud můžeme transformovat pouze tehdy, když ho přerušujeme (měníme jeho velikost), čímž dosáhneme změny magnetického pole, potřebné pro elektromagnetickou indukci. Pokus znázorněný na obrázku ukazuje, že žárovka svítí pouze tehdy, když vypínačem nepřetržitě zapínáme a vypínáme proud, tedy když měníme magnetické pole. Při zapnutém vypínači teče primární cívkou pouze stejnosměrný proud, vytvoří se neměnný magnetický tok, a proto v sekundární cívce nevzniká žádné napětí ani proud.

Vysvětlete princip Ruhmkorffova induktoru
Automatické a rychlé zapínání a vypínání proudu dosáhneme např. Ruhmkorffovým induktorem. Založeno je na transformaci přerušovaného stejnosměrného proudu. Wagnerovo kladívko K, které se přitahuje a odskakuje, přerušuje a zapíná proud h odebíraný z jednosměrného zdroje B. V sekundárních závitech se indukuje svorkové napětí U2. Podobný přerušovač (vibrátor) zvyšuje napětí v starších přenosných radiopřijímačích, kde malý zdroj s malým napětím v kombinaci s přerušovačem umožňuje získat potřebné vyšší napětí.

Jaká je principiální činnost transformátoru?
Primární, střídavý proud, tedy proud jdoucí ze střídavé sítě do primární cívky, vytvoří v železném jádře střídavý magnetický tok, který v sekundární cívce indukuje napětí, úměrné tomuto toku, frekvenci a počtu závitů. Jelikož střídavý magnetický tok váže současně primární i sekundární cívku, indukuje se i v primární cívce napětí (tzv. napětí na vlastní induktivitě). Jeho hodnota při výsledném toku a stejné frekvenci bude záviset na počtu závitů. Při stejném počtu závitů bude tedy napětí v obou vinutích stejné.

Odvoďte transformační převod. Jaký je vztah mezi velikostí napětí a počtem závitů transformátoru?
Střídavým proudem vytvořený magnetický tok indukuje v primární cívce napětí a v sekundární cívce zase jiné. Dělením rovnic získáme transformační převod, tj. indukovaná napětí transformátoru jsou přímo úměrná počtu závitů obou vinutí. Tato úměra je proto tak jednoduchá, protože frekvence a magnetické toky jsou v obou rovnicích stejně velké. Pokud místo indukovaných napětí bereme svorková napětí, což pro stav naprázdno přibližně platí, bude převod, tj. převod transformátoru je dán poměrem primárního a sekundárního napětí a rovná se poměru primárních a sekundárních závitů. Z úměry potom sekundární svorkové napětí, tj. napětí na sekundární straně je tolikrát větší (menší), kolikrát má sekundární strana více (méně) závitů než primární. (Pokud má být na sekundární straně 220V a na primární 110V, musí mít sekundární cívka dvojnásobný počet závitů. Při transformačním převodu je počet závitů na primární i sekundární straně stejný a i primární a sekundární napětí jsou přibližně stejné.

Vztah mezi výkonem, napětím a proudem
Vodní tok 100l za sekundu, padající z výšky 2m, dává turbíně stejný výkon jako vodní tok 20l za sekundu při pádu z výšky 10m. Podobně u transformátoru lze přenášet stejný výkon při různém napětí a proudu. Např. výkon 100kVA lze přenášet při 100.000V a proudu 1A nebo 20.000V a proudu 5A. Čím vyšší napětí použijeme, tím menší proud teče vedením při stejném přenášeném výkonu.

Co se stane s proudem a napětím?

• Pokud zvýšíme napětí na sekundární straně (počet závitů), proud v sekundární cívce se sníží.
• Pokud v primární cívce zvýšíme nebo snížíme počet závitů, napětí v sekundární cívce se příslušně sníží nebo zvýší.

Proč transformátor hoří?
Pokud transformátor funguje správně na 230V a připojíme ho na nižší napětí 120V, může začít hořet. To je možné pouze tehdy, pokud transformátor připojíme ke stejnosměrné síti 120V. V takovém případě nemá primární cívka indukční odpor, ale pouze ohmický odpor, který je velmi malý. Transformátor by neměl být připojen ke stejnosměrnému napětí.

Úloha transformátoru při přenosu elektrické energie na dálku
Ztráty na elektrické energii, respektive na výkonu, jsou úměrné součinu odporu R vedení a čtverce proudu.

Ve stejném vedení mezi transformátory, jsou ztráty v poměru ... To znamená, že při přenosu elektrické energie s napětím 20kV jsou ztráty ve vedení 25krát větší než při přenosu s napětím 100kV. Jak víme, ztracená elektrická energie se ve vedení mění na neužitečné teplo.

Přenos elektrické energie znázorňuje obrázek. Generátor na 6kV a 17A, tedy asi na 100kVA, je spojen s transformátorem Ti, který zvýší napětí na 100kV a v dlouhém vedení poteče pouze 1A při přenosu výkonu 100kVA. Proud se snížil na 1/17, ale ztráty ve vedení se snížily 172krát, tedy jsou 289krát menší. Na kratší úseky se sníží 100kV transformátorem na 20kV/5A, kde Joulovy ztráty (tepelné ztráty) jsou pouze 25krát menší. Na jiném úseku transformátor sníží napětí z 20kV na 6kV a jiný transformátor v místě spotřeby sníží napětí na 380V. Ačkoliv jsou transformátory drahé, stále se vyplatí je zavést, protože ztráty elektrické energie při přenosu ve vedení by mnohonásobně převýšily cenu transformátorů.

Toto uvažování platí za předpokladu, že průřezy vodičů zůstávají nezměněné, což se v praxi nedělá. Například při proudu 5krát menším bude průřez 5krát menší, odpor bude tím 5krát větší a ztráty pouze 5krát menší.

Elektrický proud na cestě z výrobny až k spotřebiteli je často třikrát nebo vícekrát transformován. Aby byly ztráty ve vedení při přenosu elektrické energie na velké vzdálenosti co nejmenší, je třeba elektrický proud transformovat u elektrárny na vysoké napětí a malý proud. Zpětná transformace na menší napětí probíhá v místě spotřeby. Větší přenášené výkony tedy vyžadují vyšší napětí. Dálkové spoje mají napětí 110, 220 a 400kV. Primární napětí distribučních transformátorů je obvykle 22kV. Sekundární napětí distribučních síťových transformátorů je 400/231V, aby spotřebiče po poklesech napětí (asi 5%) ve vedení mohly mít 380/220V.

---