Co je to transformátor a z čeho se skládá?
Transformátor — je zařízení pro přeměnu napětí a proudu v elektrickém obvodu. Transformátor může převádět střídavý proud a napětí bez změny frekvence.
Transformátor se skládá z obvykle uzavřeného jádra, které je vyrobeno z měkkého feromagnetika, a dvou vinutí (primární a sekundární). Typicky je v elektrickém obvodu primární vinutí (vstup transformátoru) připojeno ke zdroji střídavého proudu (zdroj) a sekundární vinutí (výstup) je připojeno k elektrickým spotřebičům. EMF elektromagnetické indukce ($ >_i$), který se objevuje v sekundárním vinutí, je úměrný počtu závitů v něm. Změnou počtu závitů sekundárního vinutí lze výrazně změnit napětí na výstupu zařízení.
Princip činnosti transformátoru
Uvažujme, jak spolu souvisí napětí na vstupu ($U_1$) a napětí ($U_2$) na výstupu. V tomto případě předpokládáme, že $Ф$ je magnetický tok v jádře (magnetickém obvodu), předpokládejme, že je popsán harmonickým zákonem:
- $omega$ je úhlová frekvence střídavého proudu (počet period za 2$pi sekundy$),
- $Ф_m$ je amplituda magnetického toku.
U skutečných transformátorů některé indukční čáry vytvořené primárním vinutím opouštějí jádro a uzavírají se mimo sekundární vinutí. To vytváří magnetický svodový tok, který vede ke ztrátám elektrické energie a v důsledku těchto ztrát se celkový výkon snižuje.
U kvalitních transformátorů lze svodový tok zanedbat ve srovnání s tokem uvnitř jádra, proto lze předpokládat, že toky vinutími jsou stejné ($Ф$). Pokud $ >_1$ je EMF samoindukce, pak se rovná:
“Transformátor”
Pomoc od odborníka na téma práce
Řešení problému s AI za 2 minuty
Pomoc s abstraktem z neuronové sítě
EMF ve druhém vinutí ($ >_2$) se rovná:
- $N_1 — $počet závitů v primárním vinutí,
- $N_2$ je počet závitů sekundárního vinutí.
Pomocí Ohmova zákona se napětí na vstupu transformátoru ($U_1$) rovná:
Výstupní napětí ($U_2$) je:
- $R_1 a R_2$ jsou odpory vinutí,
- $I_1 a I_2$ jsou proudové síly v odpovídajících vinutích.
Předpokládejme, že sekundární vinutí je otevřené ($I_2=0$). Navíc pro téměř všechny technické transformátory $R_1I_1ll >_1 $. Rozdělme rovnici (5) (4) člen po členu a dostaneme:
kde poměr $frac=K$ se nazývá transformační poměr.
Tento koeficient ukazuje, kolikrát je sekundární napětí větší než primární napětí v klidovém režimu. Pokud má transformátor zátěž, pak nelze místo vzorce (6) zanedbat úbytek napětí, získá se složitější výraz. Vzorec (6) popisuje zákon transformace amplitud napětí v transformátoru.
Celkový výkon transformátoru, určený rozměry jádra a jeho materiálu, lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:
Pokud je sekundární vinutí transformátoru součástí primárního vinutí (nebo naopak součástí sekundárního vinutí je primární vinutí), je transformátor autotransformátor. Často je jeden z kontaktů autotransformátoru pohyblivý. To umožňuje plynule měnit výstupní napětí.
Transformátor je příkladem aplikace vírového elektrického pole. Vírové pole způsobuje pohyb elektronů v sekundárním vinutí, je tedy příčinou EMF.
První transformátory vytvořil P.N. Yablochkov v roce 1877 a F.N. Usagina v roce 1882 a výkonové transformátory se začaly vyrábět v SSSR v roce 1928.
Aplikace transformátorů
Transformátory plní důležité funkce v elektrotechnice. V elektrických přenosových vedeních se tedy používá vysoká napětí (řádově desítky tisíc voltů). Jejich použití umožňuje snížit proudovou sílu ve vedení, což vede k výraznému snížení nákladů na výstavbu vedení pro přenos energie. Současně je obtížné vytvořit generátory a zařízení, která spotřebovávají elektrickou energii, která jsou navržena pro vysoké napětí, protože to vyžaduje vysoce kvalitní izolaci vinutí. Výsledkem je, že generátory produkují nízké napětí a poté se toto napětí zvyšuje pomocí stupňovitých transformátorů. Tam, kde se spotřebovává elektrická energie, se vysokonapěťový proud mění pomocí redukčních transformátorů.
Transformátory mají vysokou účinnost, dosahující 99 % $. Neobsahují žádné pohyblivé části.
Transformátory lze použít k přizpůsobení zdroje energie zátěži pro dosažení maximálního výstupního výkonu, což platí pro mnoho zařízení. Tak se pomocí transformátoru vyrovná vysoký vnitřní odpor zesilovače s nízkým odporem reproduktoru.
Úkol č. 1: Nakreslete vektorový diagram transformátoru naprázdno.
řešení:
Chod transformátoru naprázdno je jeho provoz s otevřeným sekundárním vinutím ($I_2=0$). Zanedbáme zpoždění fáze magnetického indukčního toku oproti fázi proudu v primárním vinutí v důsledku určité setrvačnosti, ke které dochází při remagnetizaci materiálu jádra. Pokud zanedbáme ztráty a rozptyl toku, můžeme napsat:
Protože proud naprázdno je velmi malý, stejně jako odpor primárního vinutí ve srovnání s jeho indukční reaktancí, proto:
$U_$ je pozadu o $frac
$ z magnetického toku.
Připomeňme, že $U_1- $ je vnější napětí aplikované na primární vinutí, $U_$ je napětí v primárním vinutí v důsledku samoindukce, $U_$ je napětí na sekundárním vinutí jako výsledek vzájemné indukce, $I_m$ je proud naprázdno, $Ф_m$ je tok naprázdno, který je pokryt každým závitem vinutí.
Obrázek 1. Vektorový diagram nečinnosti. Author24 — online výměna studentských prací
Úkol č. 2: Vysvětlete provozní vlastnosti autotransformátoru?
řešení:
Provozní rozdíl autotransformátoru spočívá v tom, že primární a sekundární vinutí autotransformátoru jsou ve vzájemném elektrickém kontaktu a vinutí transformátoru jsou izolována. Proto může statický náboj z primárního vinutí autotransformátoru přecházet do sekundárního vinutí, což je u transformátoru nemožné. Tento jev je třeba vzít v úvahu. Autotransformátor je ekonomická konstrukce transformátoru, protože pomáhá šetřit na vinutí vodičů. Autotransformátor přitom zachovává všechny fyzikální principy činnosti transformátoru.