Transformátor

Důvodem, proč využíváme střídavý přenos elektrické energie, je možnost snadné změny hladiny napětí, díky čemuž je přenos energie efektivnější a hospodárnější. Zařízení, které tuto změnu umožňuje, se nazývá transformátor.

Přenos výkonu

Pokud doma potřebujete 1 kW výkonu na provoz varné konvice, musí být tento výkon v elektrárně nejprve vyroben. Představme si, že do transformátoru vstupuje zdánlivý výkon S₁ a v ideálním případě z něj vystupuje stejně velký výkon S₂:

$$S_1 = S_2 $$

To, co se mění, jsou poměry proudů a napětí. Můžeme tedy výkon rozložit na součin napětí a proudu:

$$U_1 \cdot I_1 = U_2 \cdot I_2$$

Nyní převedeme napětí na jednu stranu a proudy na druhou a získáme převodový poměr p:

$$\frac{U_1}{U_2} = \frac{I_2}{I_1} = p $$

Takže je-li na vstupu 22 kV a na výstupu 400 V, je transformační poměr p roven 55. Tím pádem, pokud do transformátoru teče proud 1 A, na výstupu musí být 55krát větší, tedy 55 A.

Ztráty na vedení

Před i za transformátorem přenášíme výkon 22 kVA. Na primární straně transformátoru je napětí 22 kV a proud 1 A, zatímco na sekundární straně je 400 V a 55 A. Pokud by tyto proudy tekly vedením s odporem 1 Ω, budou ztráty následující:

$$ \Delta P_1 = R \cdot I_1^2 = 1 \cdot 1^2 = 1\ \text{W} $$

$$ \Delta P_2 = R \cdot I_2^2 = 1 \cdot 55^2 = 3025\ \text{W}$$

Ztráty jsou více než 3000krát větší, protože rostou s druhou mocninou proudu.

Princip a konstrukce

Transformátor je v principu jednoduché zařízení, které pracuje na základě Faradayova zákona elektromagnetické indukce:

$$ U_i = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $$

To znamená, že na vinutí se indukuje napětí, pokud jím prochází proměnlivý magnetický tok. Ten vznikne tak, že vinutí napájíme střídavým proudem.

Transformátor se skládá ze dvou cívek. Aby sdílely co nejvíce magnetického toku, jsou umístěny na společném magnetickém jádře. Zbytek jádra pak slouží k uzavření magnetického obvodu.