🔁 Transformátor

Cesta z elektrárny

O čem to je

Elektrárna vyrábí elektřinu desítky až stovky kilometrů od tvé dílny. Kdyby ji posílala rovnou na 230 V, většina energie by se cestou proměnila v teplo ve vedení. Proto se napětí pro přenos zvýší na stovky tisíc voltů a u spotřebitele zase sníží. Obojí dělá transformátor.

Malé transformátory najdeš v ovládání strojů (24 V pro relé a čidla), v bezpečnostních zdrojích a ve svářečkách.

Nové pojmy

Připomenutí: elektromagnetická indukceKdyž se mění magnetické pole procházející cívkou, indukuje se v ní napětí. Čím víc závitů, tím větší napětí.
Primární a sekundární vinutíPrimární vinutí se připojuje ke zdroji. Sekundární dává napětí spotřebiči. Obě cívky nejsou vodivě spojené, energie přechází magnetickým polem.Ovládací transformátor: primár na 400 V, sekundár 24 V.
Magnetický obvod (jádro)Uzavřené železné jádro, na kterém jsou obě vinutí. Vede magnetické pole z primáru do sekundáru. Skládá se z tenkých izolovaných plechů, aby se v něm netvořily velké vířivé proudy, které jádro zahřívají.Jádro ve tvaru E a I z transformátorových plechů.
Převod pPoměr napětí a počtu závitů: p = U₁ / U₂ = N₁ / N₂. Proudy jsou v obráceném poměru: I₂ / I₁ = p.N₁ = 1 000, N₂ = 100 → p = 10, z 230 V vznikne 23 V.

Jak to funguje

  1. střídavý proud teče primárním vinutím
  2. v jádře vzniká střídavý magnetický tok
  3. tok prochází i sekundárním vinutím
  4. v sekundáru se indukuje napětí
  5. připojeným spotřebičem teče proud

Projdi cyklus. Všimni si, že bez změny toku by se nic neindukovalo. Proto transformátor se stejnosměrným proudem nefunguje.

Transformátor má primár 1 200 závitů na 230 V. Kolik závitů potřebuje sekundár pro 12 V?
N₂ = N₁ · U₂ / U₁ = 1 200 · 12 / 230 ≈ 63 závitů. (Prakticky se přidá pár závitů navíc na úbytek napětí při zatížení.)
Ideální transformátor 230 V / 23 V dodává do spotřebiče 5 A. Jaký proud odebírá ze sítě?
p = 230 / 23 = 10. I₁ = I₂ / p = 5 / 10 = 0,5 A. Kontrola výkonu: 230 · 0,5 = 115 VA = 23 · 5. ✓

Proč vysoké napětí na přenos

Stejný výkon P = U · I přeneseš buď velkým napětím a malým proudem, nebo naopak. Ztráty ve vedení jsou R · I². Desetkrát vyšší napětí = desetkrát menší proud = stokrát menší ztráty.

✗Transformátor zvyšuje napětí, takže zvyšuje i výkon.
✓Výkon na výstupu je vždy o něco menší než na vstupu. Když se napětí zvýší, proud se úměrně zmenší.

Transformátor energii nevyrábí, jen ji předává. U₁ · I₁ ≈ U₂ · I₂, rozdíl tvoří ztráty.

Transformátor = dvě vinutí na společném jádře. Funguje jen se střídavým proudem. U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = I₂ / I₁. Vysoké napětí na přenos snižuje proud a ztráty.

Druhy a výpočty

O čem to je

Na štítku transformátoru v rozvaděči čteš „400/24 V, 160 VA“. Musíš poznat, kolik zátěže na něj smíš připojit, jaký proud teče na primární straně a jestli je to transformátor bezpečnostní. Tady je přehled druhů a výpočtů.

Nové pojmy

TransformátorNetočivý elektrický stroj, který mění velikost střídavého napětí a proudu při stejné frekvenci. Má primární a sekundární vinutí na společném železném jádře.Síťový transformátor 230/12 V.
Zdánlivý výkon SSoučin napětí a proudu S = U · I. Jednotka voltampér (VA). Transformátor se dimenzuje na S, protože ho ohřívá proud bez ohledu na cos φ spotřebiče.24 V · 6,67 A ≈ 160 VA.
Ztráty v železe a ve vinutíV železe: ohřev jádra střídavým magnetováním (hysterezní) a vířivými proudy; skoro nezávisí na zatížení. Ve vinutí (v mědi): teplo R · I², roste se zatížením.Naprázdno se transformátor mírně hřeje – to jsou ztráty v železe.
Galvanické odděleníPrimární a sekundární obvod nejsou vodivě spojené. Energie přechází jen magnetickým polem.Oddělovací transformátor 230/230 V pro bezpečnější práci s přístrojem.

Druhy transformátorů

DruhK čemuPozor na
síťový (ovládací)napájení ovládání 24 V, 230 Vjištění primáru i sekundáru
bezpečnostnízdroj bezpečného malého napětí (např. SELV)na štítku má značku bezpečnostního transformátoru
oddělovacígalvanicky oddělený obvod 230 Vchrání jen při jednom připojeném spotřebiči
autotransformátorjedno vinutí s odbočkou, levnějšínemá galvanické oddělení
měřicí transformátor prouduměření velkých proudůsekundár se nesmí rozpojit, musí být zkratovaný nebo zatížený měřákem

Postup výpočtu

Ze štítku zjisti U₁, U₂ a jmenovitý výkon S.
Jmenovitý sekundární proud I₂ = S / U₂.
Převod p = U₁ / U₂.
Primární proud I₁ ≈ I₂ / p (u reálného trochu víc kvůli ztrátám).
Zkontroluj, že součet zátěží nepřekročí S.
Ovládací transformátor 400/24 V, 160 VA. Jaký je jmenovitý sekundární a primární proud?
I₂ = 160 / 24 ≈ 6,7 A. p = 400 / 24 ≈ 16,7. I₁ ≈ 6,7 / 16,7 ≈ 0,4 A (nebo 160 / 400 = 0,4 A).
Transformátor odebírá ze sítě 500 W a dodává 470 W. Jaká je účinnost a ztráty?
η = 470 / 500 = 0,94 = 94 %. Ztráty 30 W se mění v teplo v jádře a ve vinutí.

Roztřiď druhy. Rozhoduje, jestli mají dvě samostatná vinutí, nebo jedno společné.

✗Měřicí transformátor proudu odpojím od ampérmetru a svorky sekundáru nechám volné.
✓Sekundár měřicího transformátoru proudu se před odpojením měřáku musí zkratovat.

Primárním proudem je dán tok v jádře. Bez zátěže na sekundáru se na něm indukuje nebezpečně vysoké napětí a jádro se přehřívá.

Dimenzuje se na zdánlivý výkon S = U · I (VA). Ztráty jsou v železe a ve vinutí. Bezpečnostní a oddělovací transformátor galvanicky odděluje, autotransformátor ne. Sekundár transformátoru proudu nikdy nerozpojuj.
🔺Trojfázová soustava⚙️Elektrické stroje: asynchronní a stejnosměrný motor