Transformátory patří mezi netočivé elektrické stroje. Slouží ke změně střídavých napětí, popř. proudů při zachování frekvence. Jejich vývojem se zabývaly desítky inženýrů, mimo jiné i Nikola Tesla, bločkov. Všichni se však opírali o univerzální teorii Charlese Steinmetze.
Schéma transformátoru.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Transformátor se skládá z magnetického obvodu (jádro transformátoru), složeného z tenkých izolovaných plechů z feromagnetické látky s úzkou hysterezní smyčkou (z důvodu zmenšení ztrát vířivými proudy). Na jádře transformátoru jsou navinuty dvě cívky. Cívka, do níž přivádíme střídavý proud jehož napětí chceme transformovat se nazývá vstupní – primární cívka. Cívka, z níž odvádíme transformovaný proud se nazývá výstupní – sekundární cívka. Mezi oběma cívkami je těsná indukční vazba, tj. magnetický indukční tok z primární cívky je obvodem veden bez podstatných ztrát do dutiny sekundární cívky.
Magnetický indukční tok závisí na velikosti magnetického pole, na rychlosti změn magnetického pole a na počtu závitů cívky, v níž se indukuje napětí. Velikost magnetického pole se mění podle napětí na vstupní cívce. Rychlost změn magnetického pole závisí na frekvenci střídavého proudu.
Proměnné magnetické pole způsobuje, že se ve výstupní cívce indukuje rovněž střídavé napětí. Čím větší je počet závitů sekundární cívky, tím větší napětí se v ní indukuje. V dokonalém transformátoru se výkon rovná příkonu.
Ze vztahu vyplývá, že pokud je větší napětí na sekundární cívce, musí být menší proud, který se z ní dá odebírat.
Poměr napětí na primární U1 a sekundární U2 cívce je tzv. transformační poměr k. Mezi proudem, napětím a počtem závitů N platí vztah
Veličiny vztažené k primární cívce označujeme indexem 1, k sekundární cívce 2.
Uvedený vztah platí pouze pro dokonalý transformátor, který pracuje beze ztrát. Skutečné transformátory mají ztráty, ale jejich účinnost bývá často větší než 0,9. Transformátory patří mezi nejdokonalejší stroje vzhledem ke své vysoké účinnosti.
Jestliže budeme získávat vyšší napětí, budeme transformovat nahoru (k > 1), tj. zmenší se proud ve výstupním obvodu. Naopak při transformaci dolů (k < 1) je výstupní napětí malé, ale můžeme tak získat značné proudy. Příkladem může být např. bodové svařování (používá se např. při výrobě karoserií). Plechy se sevřou mezi dvě zahrocené měděné elektrody spojené s několika závity výstupní cívky výkonného transformátoru. V místě dotyku prochází tak velký proud, že se jím plechy rozžhaví a dojde k jejich pevnému spojení.
Transformátor ve Vranovské elektrárně.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Autotransformátor je transformátor založený na jevu vlastní indukce (samoindukce). Část primárního vinutí tvoří sekundární. I u autotransformátoru platí transformační poměr. Hlavní předností je menší spotřeba vodičů a tudíž nižší výrobní náklady, menší váha a rozměry. Nevýhodou je, že primární i sekundární vinutí není od sebe izolováno, a jestliže se poruší společné vinutí, vyšší primární napětí se dostane na svorky sekundárního napětí a může dojít k poškození elektrického spotřebiče. Někdy jsou autotransformátory zkonstruovány tak, že se napětí dá plynule zmenšovat nebo zvětšovat. Takové transformátory se používají jako regulační např. v elektrických pecích, k spouštění výkonných třífázových motorů, k plynulým změnám osvětlení apod.
Trojfázové transformátory poprvé postavil Michail Doliwo–Dobrowolski u firmy AEG v roce 1889. Jsou to v podstatě tři jednofázové transformátory vhodně spojené (tj. do hvězdy nebo trojúhelníku). Mají šest cívek, z toho tři primární a tři sekundární.
Speciálním případem transformátoru je Ruhmkorfův induktor z roku 1851, který slouží k získávání velkých napětí a výbojů. Induktor posloužil k objevu katodových paprsků, rentgenova záření, elektromagnetického záření, výbojek nebo elektronek. Ruhmkorfův induktor se skládá z primární cívky obsahující menší počet závitů ze silnějšího drátu na jádře z železných drátů. Její konec je připojen přímo na svorku, druhý přes pružné peru s železnou kotvou na konci a přes šroubek na druhou svorku. Sekundární cívka má velký počet závitů slabého drátu a její konce jsou připojeny k jiskřišti tvořeném dvěma kulovými konduktory.
Ruhmkorfův induktor.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Svorky se připojují k pólům baterie galvanických článků. Tím začne primární cívkou procházet stejnosměrný proud. Abychom mohli transformovat stejnosměrný proud, je nutné ho před přívodem do primárního obvodu přerušovat např. pomocí Wagnerova kladívka, ke kterému je připojen druhý vývod sekundární cívky. Rychlost přerušování má vliv na indukovaný proud v sekundární cívce.
Indukovaný střídavý proud v sekundární cívce má mnohem větší napětí, takže na jiskřišti vznikne trvalý výboj. I na šroubku můžeme pozorovat jiskření. To je způsobeno proudem vzniklým vlastní indukčnost primární cívky v jejím vinutím. K primární cívce se proto připojuje kondenzátor.
