Transformátory 1. díl
Publikované: Saturday, 24.01. 2004 - 17:45:29 Od: alovka
|
|
Ve třech článcích se seznámíte z transformátory, jak klasickými tak toroidními. V prvním díle to bude seznámení s klasickými transformátory a vysvětlení jevů, ke kterým dochází při transformaci.
Transformátory
Historie vzniku transformátoru je úzce spjato z přeměnou
napětí. Dánský fyzik Hans Christian Oersted objevil v roce 1820, že proud plynoucí
přes vinutí vytváří magnetické pole.
O deset let později Americký fyzik Joseph Henry objevil elektromagnetickou indukci -
přeměnu magnetismu na elektřinu. |
Koncem roku 1831 Michael Faraday provedl sérii zkoušek se zařízením,
skládajícím se ze železného prstenu, na kterém navinul dvě vinutí izolovaným
měděným drátem. K jednomu z vinutí připojil akumulátor v naději, že se na druhém
vinutí naindukuje stálé napětí. Ale k jeho překvapení se i po dvoustech pokusech
galvanometr připojený na vinutí B, vychýlil vždy jen při připojení nebo odpojení
akumulátoru z vinutí A.
Krátce po tom Francouzský konstruktér nástrojů Pixii postavil v roce 1832 ruční
generátor střídavého napětí ( alternátor ), který umožnil další výzkumy v
oblasti elektromagnetické indukce a nakonec podpořil vznik transformátoru. |
 |
První vynálezci, kteří přikládali střídavé napětí k
indukčnostem a měřili vyvolané napětí a proudy zjistili, že vsouvá-li se do cívky
železný prut, mění se i odpor cívky, který klade na železný prut. Odpor se zvedal,
když z železného prutu formováno uzavřený obvod. Na velikost kladeného odporu má
vliv i materiál, ze kterého je prut vyroben. Byl největší v případě měkkého
železa ( malý obsah uhlíku, který nedokáže uchovat magnetizmus ).
Když na železné jádro izolovaně od prvního vinutí navinuli i vinutí druhé,
ukázalo se, že po přiložení napětí k prvnímu vinutí se ve druhém indukuje
střídavé napětí. Když rostl počet závitů na druhém vinutí, rostlo i jeho
napětí. |
| Železné jádro transformátoru ovlivňuje jeho funkci hned dvakrát.
Zaprvé zvyšuje elektrický odpor vinutí v souladu z přiloženým střídavým
napětím. Proud v cívce se vzduchovým jádrem je čtyřikrát výšší než z jádrem
železným. Za druhé železo je feromagnetický kov z neuspořádaným magnetickým
polem. Jeho indukční siločary jsou vzájemně vyváženy tak, že se na povrch nejeví
jako magnet . Indukční siločary jsou ale pohyblivé a působením externího
magnetického pole lze jeho magnetizmus výrazně zesílit. Toto zesílené magnetické
pole vytváří i zesílenou vlastní indukčnost. |
Železné jádro transformátoru je elektricky vodivé. Jeho obvod tvoří
uzavřenou smyčku a funguje jako kompaktní uzavřený závit. Indukuje se v něm
napětí a teče jím proud. Můžeme si představit v tomto jádru velké množství
takovýchto smyček ve kterých tečou malé proudy. Tyto proudy nazýváme vířivými a
způsobují ztrátu výkonu. Projevují se zahříváním jádra během provozu
transformátoru. Ztráty můžeme zmenšit složením jádra. Složením ne z litého železa, ale z
tenkých ocelových plechů, které jsou vzájemně elektricky odizolované.
Elektrickou vodivost jádra můžeme navíc zmenšit přídáním malého množství
křemíku k oceli. Izolace mezi vrstvami ocelových plechů se většinou skládá z
jednostranné vrstvy laku široké 6 až 10µm, oboustranných vrstev fosforečnanu s
tloušťkou 2 až 3µm a kysličníku 2 až 3µm. Poměr aktivní části povrchu jádra k
celkovému povrchu se rovná od 0,75 ( tloušťka plechu 0,05mm) do 0,92 ( tloušťka
plechu 0,5mm ). |
| V tabulce jsou průměry několika běžně používaných navíjecích
drátů. |
Společně z růstem proudu v prvním vinutí se zvyšuje působnost pole
a velikost magnentizace jádra. Nakonec jakkoli narůstá proudové zatížení,
magnetizace už dál neroste. Jádro je nasyceno, vzrůstá však slabé zozptýlené pole
okolo jádra. Toto rozptýlené pole může způsobovat rušení v elektronických
obvodech. Kromě toho do druhého vinutí není předávaná celá energie, jelikož ne
celá část pole tvořeného prvním vinutím je předána vinutí druhému.
Nejvíc o sobě rozptýlené pole dává vědět, kdy první i druhé vinutí jsou od sebe
vzdáleny např. na jádru UI. Působení rozptyleného pole je menší když obě vinutí
jsou blízko u sebe, na stejném rameni jádra. Úplně nejmenší bude když jsou obě
vinutí navinuty na sobě, jak u většiny transformátorů.
Při projektování transformátorů nutno znát důležité vlastnostni jádra: stupeň
magnetizace jádra, při kterém se ještě neobjevuje nasycení a prolínání nebo
stupeň zesilování vnějšího pole. Tyto parametry určují počet závitů
potřebných pro určité napětí. Čím je vyšší magnetizovatelnost, tím méně
závitů bude potřebných v obou vinutích. Počet závitů záleží také od povrchu
jádra a poměru tvaru transformátoru. |
| První transformátory byly používány v energetických systémech k
dodávání relativně velkých energií. U nich bylo využíváno obdelníkového jádra
z dobře oddělenými vinutími ( viz. obrázek vpravo ). Taková vinutí jsou vždy
dělány z drátu v bavlněné izolaci. V případě poškození každé z vinutí
může být vymontováno, opraveno nebo vyměněno. |
 |
 |
Později se transformátory začaly používat i k napájení malých
zařízení. Začaly se využívat plechové, vystřihované jádra různých tvarů.
Podle tvarů se dělí na EI, M a F. Jádra EI se hodí ke konstrukci transformátorů
využívající malou vzduchovou mezeru ( do 10µm ). Výstupní napětí takovýchto
transformátorů záleží od zatížení, což je výhodou třeba v případě
nabíječek akumulátorů, které by měli dodávat nekolísavý proud . Malá vzduchová
mezera působí proti vstupnímu magnetování jádra, které by při vzrůstu
střídavého proudu mohlo podlehnout nasycení. |
| Transformátory typu M jsou určeny ke speciálnímu využití v
zařízeních, kde poměrně velké rozptýlené pole nevadí. |
 |
| Magnetické vlastnosti transformátorových plechů zůstaly
vylepšeny výběrem vhodných materiálů a vylepšeného válcování. U
plechů válcovaných za studena zrnitá struktůra materiálu zůstává ve směru
magnetického toku. Zlepšuje to souběžnou magnetizovatelnost, ale ne příčnou. |
 |
V jádrech typu MD ( obr. vlevo ) , které se objevily v 60 letech,
zůstala vylepšena i příčná magnetizovatelnost. V tomto tvaru zůstal zmenšen efekt
vzduchové mezery, mezerou ve směru nejmenší hustoty magnetického toku. |
| Tvar typu PM ( obr. vpravo ) je dalším vylepšením plechů typu M. Vylepšení
spočívá v rozšíření venkovního pláště v porovnání z vnitřním, což má za
následek zmenšení magnetizace ve vnějších ramenech v poměru k vnitřních.
Výsledkem zesílení těchto ramen je menší magnetický odpor. Do jádra se může
vejít více linií siločar což snižuje ztráty. |
 |
 |
Navíc směrem ukládání plechů do čtyř pozic, každá vzduchová
mezera sousedí se třemi nepřerušenými vrstvami zachycující linii sil ( obr. vlevo
). Vznik rozptyleného pole je omezeno více než v jádrech typu MD. Před několika lety
byl tvar plechů PM ještě zdokonalen. Prodloužením okna a optimalizací vzduchové
mezery byla zvýšena výkonnost o několik procent. |
 |
| Mimo standardní tvary plechů existují i tvary nestandardní (obr.
vpravo ), o nichž výrobci tvrdí že vlastnosti jsou ještě lepší než u tvaru PM. |
 |
Za případné chyby v překladu se omlouvám. Jestliže na něco narazíte nechte vzkaz v
komentářích.
Pokračování příště....
Originál článek od K. Schönfoff
Překlad z originálu Elektro
bastlírna
|
| |
Průměrné hodnocení: 4
Hlasů: 8
|
|
OK:
Dnes: 0
Anonymní: 579
Celkem: 583
