Transform�tory - fyzik�ln� z�klady |
Obsah >>> |
Transform�tory jsou elektrick� stroje, kter� pracuj� na principu elektromagnetick� indukce. P�em��uj� st��dav� proud o ur�it�m nap�t� na st��dav� proud o jin�m nap�t�. P�i transformaci proudu doch�z� ke zm�n� nap�t� a proudu, ale frekvence se nem�n�. Transform�tory se pou��vaj� p�edev��m v energetice pro hospod�rn� p�enos el. energie z m�sta v�roby ke spot�ebiteli pomoci vysok�ch a velmi vysok�ch nap�t�. �irok� uplatn�n� v�ak maj� tak� v elektrotechnice, elektronice, sd�lovac� technice i v mnoha dom�c�ch elektrick�ch p��stroj�ch.
Konstrukce transform�toru
Z�kladem transform�toru jsou dv� c�vky (prim�rn� a sekund�rn�), nasazen� na uzav�en�m �elezn�m j�d�e. Vinut� prim�rn� c�vky se p�ipojuje ke zdroji st��dav�ho proudu, k vinut� sekund�rn� c�vky se p�ipojuje spot�ebi�. J�dro transform�toru je slo�eno z navz�jem izolovan�ch plech� nap�. z k�em�kov� oceli. Podle tvaru transform�torov�ch plech� a uspo��d�n� c�vek se transform�tory d�l� na j�drov�, plov� a speci�ln�. Podle po�tu f�z� mohou b�t jednof�zov�, trojf�zov� nebo v�cef�zov�.
O v��iv�ch proudech a o transform�torov�m j�dru
J�dro transform�toru je slo�eno z jednotliv�ch, od sebe navz�jem izolovan�ch plech�. Pro�? Odpov�� bezprost�edn� souvis� s v��iv�mi proudy. V nau�n�m slovn�ku se do�teme, �e
Foucaultovy (v��iv�) proudy jsou elektrick� proudy indukovan� v masivn�ch elektrick�ch vodi��ch p�soben�m prom�nn�ch magnetick�ch pol�. V��iv� proudy p�sob� ztr�ty energie (disipace energie ohmick�m oh�evem, nap�. v transform�torech). Vyu�it� p�i konstrukci m���c�ch p��stroj�. Jsou p���inou povrchov�ho jevu (skinefektu).V podstat� jde o to, �e voln� elektrony se v masivn�m bloku kovov�ho vodi�e p�soben�m prom�nn�ho magnetick�ho pole za�nou pohybovat po kru�nic�ch (proto ozna�en� v��iv� proudy), p�i sv�m pohybu p�ed�vaj� ��st sv� energie krystalov� m��ce a kov se zah��v�. V��iv� prody se odstran� nebo aspo� omez� rozd�len�m masivn�ho vodi�e na men�� vz�jemn� izolovan� ��sti, aby nem�ly elektrony mo�nost "v��it". V��iv� proudy jsou proudy indukovan� a proto se podle Lenzova z�kona sna�� zabr�nit zm�n�, kter� je vyvolala. Toho se vyu��v� nap��klad v induk�n�ch brzd�ch, tachometrech, elektrom�rech aj.
V j�d�e transform�toru se neust�le m�n� magnetick� pole, vytvo�en� prim�rn� c�vkou. Kdyby bylo j�dro z masivn�ho kusu �eleza, vznikaly by v takov�m j�d�e siln� v��iv� proudy, j�dro by se zah��valo a elektrick� energie by se m�sto p�enosu z prim�rn� na sekund�rn� c�vku bez u�itku m�nila na teplo. V j�dru z izolovan�ch plech� je vznik v��iv�ch proud� siln� omezen�, tepeln� ztr�ty jsou nepatrn� a ��innost velk�ch energetick�ch transform�tor� m��e dos�hnout a� 98%! S tak vysokou ��innost� pracuje jen m�lokter� stroj!
Z�kladn� vztahy
Ke zm�n� st��dav�ho nap�t� doch�z� vlivem elektromagnetick� indukce mezi prim�rn� a sekund�rn� c�vkou transform�toru. Proch�z�-li prim�rn� c�vkou st��dav� proud, vznik� v jej�m okol� st��dav� (m�n�c� se) magnetick� pole, zm�ny magnetick�ho pole jsou �elezn�m j�drem zesilov�ny a zm�ny magnetick�ho pole indukuj� v z�vitech sekund�rn� c�vky nap�t�. Zanedb�me-li ztr�ty (kter� jsou u transform�toru velmi mal�), plat� pro transformaci nap�t� vztahy:
Z prvn� uveden� rovnice vypl�v�, �e sekund�rn� nap�t� je p��mo �m�rn� po�tu sekund�rn�ch z�vit�. ��m v�c z�vit� m� sekund�rn� c�vka, t�m vy��� nap�t� trasform�tor poskytuje.
- N1 - po�et z�vit� prim�rn� c�vky
- U1 - prim�rn� nap�t�, p�iv�d�n� na vstup prim�rn� c�vky
- I1 - prim�rn� proud, proch�zej�c� mezi zdrojem a prim�rn� c�vkou
- N2 - po�et z�vit� sekund�rn� c�vky
- U2 - sekund�rn� nap�t�, kter� se indukuje na v�vodech sekund�rn� c�vky
- I2 - sekund�rn� proud, kter� proch�z� sekund�rn� c�vkou a p�ipojen�m spot�ebi�em
Druh� rovnice vyjad�uje nep��mou �m�rnost mezi proudem a nap�t�m. To znamen�, �e ��m vy��� je sekund�rn� nap�t�, t�m men�� proud proch�z� sekund�rn�m obvodem. Pr�v� tato z�vislost se uplat�uje p�i d�lkov�m p�enosu elektrick� energie: veden�m o velmi vysok�m nap�t� proch�z� men�� proud, vodi�e se m�� zah��vaj� a p�i p�enosu doch�z� k men��m ztr�t�m.
Princip transform�toru
Je-li sekund�rn� nap�t� vy��� ne� prim�rn�, hovo��me o transformaci nahoru, Je-li sekund�rn� nap�t� ni��� ne� prim�rn�, jedn� se o transformaci dol�. K transformaci nahoru doch�z� v ka�d�m televizn�m p�ij�ma�i - obrazovka pot�ebuje ke sv� �innosti nap�t� asi 15.000 V a to pro ni vytv��� vysokonap�ov� transform�tor. K nap�jen� domovn�ho zvonku pot�ebujeme naopak nap�t� sn�it z 230 V p�ibli�n� na 5 volt� zvonkov�m transform�torem. Transform�torky sni�uj�c� s�ov� nap�t� jsou z�kladem ka�d� nab�je�ky akumul�tor� a najdeme je tak� ve v�t�in� dom�c�ch elektronick�ch p��stroj�.
Rozd�len� transform�tor�
Pro pou�it� v elektrotechnice m��eme rozd�lit transform�tory na:
- energetick� - zm�na nap�t� pro p�enos elektrick� energie v rozvodn�ch s�t�ch, ur�en� pro velk� v�kony
- sva�ovac� - sni�ov�n� nap�t� pro sva�ov�n� kov� elektrick�m obloukem
- pecov� - pro nap�jen� obloukov�ch a odporov�ch pec� pro taven� kov�
- m�ni�ov� - pro nap�jen� polovodi�ov�ch m�ni��, kter� p�em��uj� stejnosm�rn� proud na proud st��dav�
- spou�t�c� - pro spou�t�n� velk�ch asynchronn�ch elektromotor�
- odd�lovac� - galvanick� odd�len� elektrick�ch obvod� pro zv��en� bezpe�nosti
- jin� - m��ic�, zku�ebn� apod.
Induk�n� tavic� pec
Zvl�tn�m typem transform�toru je induk�n� tavic� pec. Je to v podstat� velk� transform�tor, jeho� sekund�rn� c�vku tvo�� taven� kov, ulo�en� v ohnivzdorn�m �labu. V tomto jedin�m z�vitu se indukuje jen mal� nap�t�, ale o to v�t�� proud z�vitem proch�z�. P�i dostate�n� vysok�m prim�rn�m nap�t� se v sekund�rn�m z�vitu indukuje nap�t� jen n�kolik des�tek volt�, ale proud dosahuje i n�kolika stovek amp�r�. Tak velk�m proch�zej�c�m proudem se kov siln� zah��v� a tav�.
Induktor a zapalovac� c�vka
Induktor pat�� k b�n�mu vybaven� fyzik�ln�ch kabinet� a pou��v� se p�i pokusech, kde je t�eba vysok� nap�t�, nap��klad v elektrostatice. Jedn� se o zvl�tn� typ transform�toru s otev�en�m j�drem z �elezn�ch dr�tk�. Prim�rn� c�vka m� m�lo z�vit� ze siln�ho dr�tu, sekund�rn� c�vka m� n�kolik tis�c z�vit� tenk�ho dr�tu. Prim�rn� c�vka je p�es p�eru�ova� (podobn� jako u elektrick�ho zvonku) p�ipojena k nap�jec� baterii. P�eru�ov�n�m prim�rn�ho proudu se v sekund�rn� c�vce indukuje nap�t� i n�kolik tis�c volt�. Tak vysok� nap�t� zp�sob� jiskrov� v�boje v jisk�i�ti induktoru.
Na stejn�m principu pracuje nezbytn� sou��st ka�d�ho z�ehov�ho spalovac�ho motoru - zapalovac� c�vka.. Vytv��� vysok� nap�t�, kter� se rozd�lova�em p�iv�d� k zapalovac�m sv��k�m jednotliv�ch v�lc� motoru.