Transformátor: K čemu je potřeba a jak funguje?
Transformátor nepatří mezi zařízení, na která by se primárně upírala naše pozornost. Role transformátoru je ale opravdu významná – hraje nezbytnou roli při přenosu energie do domácností nebo v provozu běžných přístrojů a spotřebičů. K čemu je transformátor potřeba a jak funguje?
K čemu se využívá transformátor
Transformátor, neboli trafo, je zařízení umožňující přeměnu střídavého napětí. Využívá se k snížení nebo zvýšení napětí na požadovanou výstupní hodnotu.
Ke zvyšování napětí dochází za účelem přenosu a distribuce elektřiny – vyšší napětí vyvolá snížení proudu a pokles ztrát na vedení při zachování stejného výkonu. Proto je transformátor nedílnou součástí přenosové soustavy. Nejdříve přemění transformátor vyrobenou elektřinu na velmi vysoké napětí, dosahující až stovky tisíc voltů. Než se elektřina dostane do domácnosti, přemění transformátor naopak vysoké napětí na standardní napětí v zásuvce, tedy 230 voltů.
Snížení napětí je nutné například pro napájení elektrických přístrojů. Součástí nabíječek na mobilní telefony je malý transformátor. Jeho úkolem je snížit napětí z 230 V ze zásuvky na 5 V, což je hodnota, kterou vyžaduje mobilní telefon.
Transformátor funguje na základě elektromagnetické indukce
K přeměně napětí dochází na základě Faradayova zákonu elektromagnetické indukce. Ten říká, že napětí indukované ve smyčce je přímo úměrné změně magnetického toku. Pro vynález transformátoru byl klíčový objev dánského fyzika Hanse Christiana Ørsteda. Ørsted objevil, že proud plynoucí přes vinutí vytváří magnetické pole. Dánský fyzik okolo roku 1820 jako první demonstroval, že elektřina a magnetismus jsou vzájemně propojeny – do té doby na ně bylo nahlíženo jako na dvě různé síly. Díky tomuto objevu došlo k výraznému posunu energetiky a vynalezené transformátory nahradily točivé měniče napětí, které se využívaly předtím.
Kapacita transformátorů je udávaná ve voltampérech (VA). Tato jednotka odpovídá jednotce Watt, která se ale užívá výhradně pro činný výkon.
Základ transformátoru tvoří dvě cívky
Konstrukce transformátoru se liší v závislosti na využití. Transformátory obsahují magnetický obvod (neboli jádro), primární a sekundární vinutí – tedy dvě cívky, a chladicí systém. Malé transformátory používané u přístrojů v domácnosti jsou většinou velmi jednoduché. Na jedné straně najdete primární cívku, kterou několikrát ovine drát přicházející do zařízení a jenž z něj následně opět vystupuje. Na druhé straně stojí na stejném principu vytvořená sekundární cívka.
Zdroj elektrického proudu je zapojen ve směru primární cívky. Konkrétní zařízení, které pro své fungování potřebuje přeměnit střídavé napětí (v domácnosti například telefon nebo počítač), je zapojeno ve směru sekundární cívky. Obě cívky u sebe drží železné jádro, kterým neprochází žádný elektrický proud. Množství závitů na primární a sekundární cívce určuje charakter transformátoru. Je-li na primární cívce v porovnání s tou sekundární více závitů, pak bude transformátor do zařízení pouštět menší napětí, než je napětí zdroje. Naopak když bude na primární cívce méně závitů, trafo pošle do zařízení vyšší napětí, než jakým disponuje zdroj.
Typ chlazení se liší podle výkonu transformátoru
Chladicí systém zajišťuje kromě bezpečného provozu také prodloužení životnosti jednotlivých komponent, které by při zvýšených teplotách degradovaly rychleji. Transformátory s malým výkonem jsou chlazeny přirozeným prostupem tepla do okolí. U transformátorů se středním výkonem dochází k chlazení prostřednictvím ventilátorů. Největší výkonové transformátory jsou chlazeny oběhem minerálního oleje, přičemž olej je chlazen samostatným chladičem, který je umístěn mimo transformátor.
Různé druhy transformátorů
Transformátory se používají při velmi rozličných příležitostech, proto se můžete setkat s různými typy tohoto zařízení. Trafa se primárně dělí na konvenční a elektronická. Konvenční transformátory obsahují železné jádro a měděné vinutí. Jsou větší a těžší, než elektronická trafa. Druhá skupina obsahuje elektronické komponenty. Stěžejní součástku představuje měnič.
Trafa mohou být dělena také podle počtu fází na jednofázová a třífázová. Zejména při velkých výkonech se využívají třífázové transformátory se společným magnetickým systémem. V podobných situacích mohou být jako alternativa třífázového transformátoru instalovány i tři jednofázové jednotky. Děje se tak především v případech, kdy se výkon pohybuje v řádu stovek až tisíců megavolt ampér, a kdy zároveň není možné aplikovat rozměrnou třífázovou jednotku.
Občas narazíte také na dělení transformátorů zohledňující konstrukci magnetického obvodu. To rozděluje trafa na plášťová, jádrová a toroidní. Další logické dělení je podle použití transformátorů. Touto optikou se rozlišují například energetické, distribuční, napájecí, měřicí nebo rozptylové transformátory.
