Transformátor - základní vlastnosti a dělení

Transformátor je elektrický netočivý stroj umožňující přeměnu střídavého napětí. Princip jeho funkce vychází z Faradayova zákona elektromagnetické indukce, který říká, že napětí indukované ve smyčce je přímo úměrné změně magnetického toku. V případě transformátoru dochází k indukci napětí v sekundárním vinutí vlivem působení proměnlivého magnetického toku, jenž je vyvoláván proudem procházejícím primárním vinutím.

Vynález transformátoru byl klíčovým pro rozvoj elektroenergetiky, jelikož nahradil dříve používané točivé měniče napětí, a tím umožnil snadnou přeměnu velikosti střídavého napětí. Zvyšování elektrického napětí se využívá zejména pro účely přenosu a distribuce elektrické energie, protože zvýšení napětí vyvolá, při zachování stejného výkonu, snížení proudu a pokles Joulových ztrát. Naopak snižování napětí bývá využíváno pro potřeby rozvodu a napájení elektrických přístrojů.

Konstrukce transformátoru

Základní části výkonových transformátorů tvoří magnetický obvod, vinutí a chladicí systém.

Magnetický obvod

Magnetický obvod, také nazývaný jádro, slouží k uzavírání magnetického toku. Toto jádro se obvykle skládá z elektrotechnických plechů o tloušťce 0,35 nebo 0,5 mm, které jsou od sebe izolovány nevodivou vrstvou. Využití izolovaných plechů namísto jednolitého jádra výrazně snižuje ztráty způsobené vířivými proudy. Plechy jsou konstruovány ze speciální oceli s příměsí křemíku, která zvyšuje jejich elektrický odpor, což má za následek další snížení ztrát. Pro omezení hysterezních ztrát bývá využíváno orientovaných plechů válcovaných za studena, které vykazují lepší magnetické vlastnosti při magnetování ve směru válcování.

Podle provedení magnetického obvodu lze transformátory dělit na jádrové a plášťové.

U konstrukcí jádrových jsou cívky primárního a sekundárního vinutí rovnoměrně rozděleny na všechna jádra obvodu.

Plášťové transformátory mají cívky navinuty na vnitřní jádra a magnetický tok se uzavírá nejen přes ně, ale i přes krajní jádra, která ovinuta nejsou.

Vinutí

Každá fáze transformátoru je tvořena vinutím primárním a sekundárním (některé transformátory mohou mít sekundárních vinutí i více). V závislosti od konfigurace můžeme vinutí rozdělit na dva základní typy – desková a válcová.

Deskové vinutí se skládá ze střídajících se kotoučů cívek primárního a sekundárního vinutí.

V případě vinutí válcového jsou cívky navinuty po celé délce jádra, přičemž je na jádře navinutá cívka jedna a ní pak druhá.

Počet závitů na primární a sekundární cívce, respektive jejich poměr, udává převod transformátoru (také nazýván transformační poměr). Lze jej vyjádřit jako poměř primárního a sekundárního napětí.

kde hodnoty N₁ a N₂ udávají počet závitů na primárním, resp. sekundárním vinutí. Napětí je transformováno v poměru stejném, proud v opačném.

Chladicí systém

Chlazení transformátoru je jako u každého elektrického přístroje důležité z hlediska bezpečného provozu a prodloužení životnosti izolace – ta totiž při zvýšených teplotách degraduje rychleji. Menší typy transformátorů mohou být suché s litou izolací, avšak běžné výkonové transformátory bývají izolovány a chlazeny minerálním olejem. Transformátory malých výkonů mohou být chlazeny přirozeným prostupem tepla do okolí, středních a vyšších výkonů pomocí ventilátorů usnadňujících výměnu tepla mezi chladičem a okolním vzduchem. Při velkých výkonech mohou mít transformátory nucený oběh oleje, kdy je olej chlazen samostatným chladičem umístěným mimo transformátor.

Transformátory mohou být děleny také podle počtu fází, a to na jednofázové a třífázové. Ve výkonové elektrotechnice se běžně používají transformátory třífázové se společným magnetickým systémem, ale v některých případech se můžeme setkat s použitím tří jednofázových jednotek nahrazujících třífázovou. Takové řešení je voleno nejčastěji v případech vysokých výkonů v řádů stovek až tisíců MVA, kdy by rozměry velké třífázové jednotky způsobovaly komplikace (např. při dopravě). Další výhodou použití samostatné jednotky pro každou fázi je usnadnění údržby a oprav v případě poruchy. Nevýhodou může být zvýšená cena z důvodů vyšší spotřeby materiálu.

Druhy transformátorů

Kromě klasických transformátorů, které byly popsány v předešlé části, existují i speciální druhy pro různé aplikace.

Měřící transformátory

Někdy také nazývané přístrojové transformátory slouží k převodu vysokých hodnot napětí a proudů na hodnoty vhodné k měření běžně používanými přístroji. Zároveň také galvanickým oddělením měřícího obvodu od měřeného (výkonového) zvyšují bezpečnost.

Měřící transformátory napětí se primárním vinutím s velkým počtem závitů připojují na měřený obvod, přičemž k sekundárnímu vinutí s menším počtem závitů se připojí měřicí přístroje s velkým vnitřním odporem. Jmenovitá hodnota sekundárního okruhu měřícího transformátoru napětí bývá obvykle 100 V.

Měřící transformátory proudu mají na primárním vinutí velmi malý počet závitů velkých průřezů (zpravidla pouze jeden). Sekundární vinutí s naopak velkým počtem závitů slouží k převodu na běžnou jmenovitou hodnotu 5 či 1 A.

Kombinací těchto dvou typů transformátorů může být samozřejmě měřen i činný výkon wattmetrem.

Autotransformátor

U toho typu transformátoru slouží jedna cívka zároveň jako vinutí primární i sekundární. Změnou napětí bývá dosaženo větším počtem odboček vycházejících z cívky nebo použitím pohyblivého jezdce. Autotransformátory jsou používány jak pro zvyšování napětí, tak pro jeho snižování. Z důvodu použití pouze jedné cívky plyne výhoda v podobě menších rozměrů a hmotností oproti klasickým transformátorům s dvojím vinutím. Nevýhodou je ztráta galvanického oddělení primárního a sekundárního obvodu.

Transformátory s regulací fáze (PST)

Transformátor s regulací fáze je speciální typ transformátoru umožňující řízení toku výkonu, což u běžných transformátorů není možné. Díky svým regulačním schopnostem je využíván v přenosových soustavách k regulaci výkonových toků. Jeho význam s odhledem na rozvoj obnovitelných zdrojů energie s každým rokem roste.

Zdroje:

Voženílek, P., Novotný, V., Mindl P.: Elektromechanické měniče; ČVUT, Praha 2011, druhé vydání