Konštrukcia jednoduchého transformátora s dvoma vinutiami pozostáva z toho, že každé vinutie je navinuté na samostatnej časti jadra z mäkkého železa, ktoré poskytuje magnetický tok pre jeho funkciu. Tento jednoduchý magnetický obvod, ktorý sa častejšie nazýva "jadro transformátora", je navrhnutý tak, aby poskytoval cestu pre prúdenie magnetického poľa, ktorá je nevyhnutná na indukciu napätia medzi dvoma vinutiami.

Avšak tento typ konštrukcie transformátora, kde sú dve vinutia navinuté na samostatných častiach jadra, nie je veľmi efektívny, pretože primárne a sekundárne vinutie sú navzájom dobre oddelené. To má za následok nízku magnetickú väzbu medzi dvoma vinutiami, ako aj veľké množstvo úniku magnetického toku zo samotného transformátora. Ale rovnako ako táto konštrukcia v tvare "O" - toroid, sa v praxi používajú rôzne typy konštrukcie transformátora, ktoré sa používajú na prekonanie týchto neefektívností, ktoré vytvárajú menší a kompaktnejší transformátor.

Účinnosť tejto jednoduchej konštrukcie transformátora sa dá zvýšiť vzájomným priblížením oboch vinutí, čím sa zlepší magnetická väzba. Zvýšenie a sústredenie magnetického obvodu okolo cievok môže zlepšiť magnetické spojenie medzi dvoma vinutiami, ale má tiež účinok na zvýšenie magnetických strát jadra transformátora. Okrem zabezpečenia cesty nízkej reluktancie pre magnetické pole je jadro navrhnuté tak, aby zabraňovalo cirkulácii elektrických prúdov v samotnom železnom jadre. Cirkulujúce prúdy, nazývané aj ako "vírivé prúdy", spôsobujú tepelné straty a straty energie v jadre, čo znižuje účinnosť transformátorov.

Tieto straty sú spôsobené hlavne napätiami indukovanými v železnom jadre, ktoré je neustále vystavované striedavým magnetickým poliam nastaveným externým sínusovým napájacím napätím. Jedným zo spôsobov, ako znížiť tieto nežiaduce straty energie, je konštrukcia jadra transformátora z tenkých oceľových plechov - lamiel. Vo všetkých typoch konštrukcií transformátorov je centrálne železné jadro vyrobené z vysoko priepustného materiálu vyrobeného z tenkých lamiel z kremíkovej ocele. Tieto tenké lamely sú spojené tak, aby poskytovali požadovanú magnetickú cestu s minimálnymi magnetickými stratami. Odpor samotného oceľového plechu je pomerne vysoký, čím sa znižujú akékoľvek straty zavinené vírivým prúdom tým, že sú lamely veľmi tenké.

Tieto lamely sa používajú v hrúbkach od 0.25 do 0.5 mm a viac. Keďže oceľ je vodič, sú lamely a všetky upevňovacie kolíky, nity alebo skrutky navzájom elektricky izolované veľmi tenkou vrstvou elektroizolačného laku na povrchu.

Konštrukcia jadra transformátora

Všeobecne názov spojený s konštrukciou transformátora závisí od toho, ako je primárne a sekundárne vinutie navinuté okolo centrálneho oceľového jadra. Dva najbežnejšie typy konštrukcie transformátora sú transformátor s uzavretým jadrom a transformátor plášťového typu.

V transformátore typu "uzavreté jadro" (vo forme jadra) sú primárne a sekundárne vinutia navinuté zvonku a obklopujú prstenec jadra. V transformátore "plášťového typu" prechádzajú primárne a sekundárne vinutia vnútri oceľového magnetického obvodu (jadra), ktoré vytvára plášť okolo vinutí, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Konštrukcia transformátora.

V obidvoch typoch prevedenia jadra transformátora magnetický tok spájajúci primárne a sekundárne vinutie prechádza úplne v jadre bez straty magnetického toku vzduchom. V konštrukcii transformátora typu s uzavretým jadrom je polovica každého vinutia omotaná okolo každého stĺpika jadra magnetického obvodu transformátora, ako je to znázornené na obrázku vyššie.

Cievky nie sú usporiadané s primárnym vinutím na jednom stĺpiku a sekundárnym na druhom stĺpiku, ale namiesto toho je polovica primárneho vinutia a polovica sekundárneho vinutia umiestnená jedna nad druhou sústredne na každom stĺpiku tak, aby sa zvýšilo magnetické spojenie umožňujúce prestup magnetických siločiar prechádzajúcich primárnym aj sekundárnym vinutím súčasne. Pri tomto type konštrukcie transformátora však malé percento magnetických siločiar prúdi mimo jadro, čo sa nazýva "únikový tok".

Transformátory plášťového typu prekonávajú tento únikový tok tak, že primárne aj sekundárne vinutie sú navinuté na tom istom stredovom stĺpiku, ktorý má dvojnásobnú prierezovú plochu oboch vonkajších stĺpikov. Výhodou je, že magnetický tok má dve uzavreté magnetické dráhy, ktoré prúdia okolo cievok na ľavej aj pravej strane a potom sa vracajú späť k centrálnym cievkam.

To znamená, že magnetický tok cirkulujúci okolo vonkajších stĺpikov tohto typu konštrukcie transformátora sa rovná Φ / 2. Pretože magnetický tok má uzavretú cestu okolo cievok, čo má tú výhodu, že sa znížia straty jadra a zvýši sa celková účinnosť transformátora.

Tvary lamiel transformátorov

Cievky sú najskôr navinuté na forme, ktorá má prierez valcového, obdĺžnikového alebo oválneho tvaru tak, aby vyhovoval konštrukcii lamiel jadra. V plášťových a aj jadrových transformátorových konštrukciách sú jednotlivé lamely za účelom montáže vinutí cievky vyrazené z oceľových plechov a formované do pásov tenkej ocele pripomínajúcich písmená "E", "L", "U" a "I" , ktoré sú zobrazené nižšie.

Konštrukčné prevedenie a tvar lamiel transformátorov.

Tieto lamely po vzájomnom spojení vytvárajú požadovaný tvar jadra. Napríklad dve výlisky "E" plus dve výlisky s koncovým uzatváraním "I", aby sa získalo jadro E-I tvoriace jeden prvok štandardného jadra transformátorového typu. Tieto jednotlivé lamely sú pri samotnej konštrukcii transformátorov pevne spojené tak, aby sa odstránili vzduchové medzery v spojoch ​​a vznikla vysoko nasýtená hustota magnetického toku.

Lamely jadra transformátora sa zvyčajne ukladajú striedavo k sebe, aby sa vytvoril prekrývajúci sa spoj s väčším počtom lamelových párov, ktoré sa pridajú na vytvorenie správnej hrúbky jadra. Toto alternatívne stohovanie lamiel tiež dáva transformátoru výhodu zníženého úniku toku a strát. Konštrukcia lamiel transformátora s jadrom E-I je asi najbežnejšie používaná a používa sa v rôznych aplikáciách spotrebnej, regulačnej a meracej techniky -  transformátory pre bežné použitie, ako aj v autotransformátoroch.

Usporiadania vinutia transformátora

Vinutia transformátora tvoria ďalšiu dôležitú súčasť konštrukcie transformátora. V jednofázovom transformátore s dvoma vinutiami by boli dve vinutia - primárne a sekundárne. To, ktoré je pripojené k zdroju napätia a vytvára magnetický tok nazývaný primárne vinutie, a druhé vinutie nazývané sekundárne, v tomto vinutí je indukované napätie v dôsledku vzájomnej indukcie.

Ak je sekundárne výstupné napätie menšie ako primárne vstupné napätie, je transformátor známy ako "transformátor s postupným znižovaním" - bežne používaný transformátor. Naopak ak je sekundárne výstupné napätie väčšie ako primárne vstupné napätie, hovoríme o  "zosilňovacom transformátore" - napr. transformátor pre použitie v mikrovlných rúrach (MOT).

Konštrukcia základného typu

Typ drôtu použitého ako hlavný vodič prenášajúci prúd vo vinutí transformátora je buď meď alebo hliník. Zatiaľ čo hliníkový drôt je ľahší a všeobecne aj lacnejší ako medený drôt, musí sa na vytvorenie rovnakého množstva prúdu ako v prípade medi použiť väčšia plocha prierezu vodiča, takže sa používa hlavne vo väčších aplikáciách výkonových transformátorov, napr. transformátory zváracích strojov, aby sa znížila ich konštrukčná hmotnosť.

Malé transformátory používané v nízkonapäťových elektrických a elektronických obvodoch majú tendenciu používať medené vodiče, pretože majú vyššiu mechanickú pevnosť a menšiu veľkosť vodičov ako ekvivalentné typy hliníka.

Vinutia transformátorov - cievky je možné všeobecne klasifikovať do koncentrických cievok a sendvičových cievok. V konštrukcii transformátora typu jadra sú vinutia zvyčajne usporiadané koncentricky okolo stĺpikov jadra, ako je to znázornené na obrázku vyššie, kde je primárne vinutie vyššieho napätia je navinuté na sekundárnom vinutí nízkeho napätia.

Sendvičové cievky pozostávajú z plochých vodičov navinutých do špirály a sú tak pomenované kvôli usporiadaniu vodičov do diskov. Alternatívne disky sa vyrábajú špirálovito zvonka smerom do stredu v prekladanom usporiadaní s jednotlivými zvitkami, ktoré sú stohované k sebe a oddelené izolačnými materiálmi, ako je papier a plast.

Skrutkové vinutia tiež známe ako skrutkové vinutia sú ďalším veľmi častým usporiadaním valcových cievok používaných v nízkonapäťových vysokonapäťových transformátorových aplikáciách. Vinutia sú tvorené veľkými prierezovými obdĺžnikovými vodičmi navinutými na jeho strane s izolovanými prameňmi navinutými paralelne pozdĺž dĺžky valca, s vhodnými dištančnými vložkami medzi susednými závitmi, aby sa minimalizovali cirkulujúce prúdy medzi rovnobežnými prameňmi. Cievka postupuje smerom von ako špirála pripomínajúca vývrtku.

Izolácia vodiča transformátora

Izolácia použitá na zabránenie skratu vodičov v transformátore medzi sebou, lebo voči kovovému jadru je obvykle vo vzduchom chladených transformátoroch tvorená tenkou vrstvou laku alebo smaltu. Tento tenký lak alebo smaltová farba sa na drôt nanesie skôr, ako sa navinie na jadro. Obvyklá elektrická pevnosť takto ošetreného vodiča je minimálne 4 kV.

Vo väčších výkonových a distribučných transformátoroch sú vodiče navzájom izolované pomocou oleja alebo textílie impregnovanej olejom. Celé jadro a vinutia sú ponorené a utesnené v ochrannej nádrži obsahujúcej transformátorový olej. Transformátorový olej funguje ako izolátor a tiež aj ako chladivo.

Označenie prípojných bodov transformátora

Nemôžeme len tak jednoducho vziať jadro transformátora a obtočiť okolo neho jednu z cievok. Mohli by sme, ale je potrebné vedieť, že sekundárne napätie a prúd môžu byť mimo fázy so sekundárnym napätím a prúdom. Dve vinutia cievky majú zreteľnú orientáciu jedného voči druhému. Buď cievka mohla byť navinutá okolo jadra v smere hodinových ručičiek alebo proti smeru hodinových ručičiek, aby sa sledovali ich relatívne orientácie, na identifikáciu daného konca každého vinutia sa používajú v schémach pri ich označení "bodky".

Táto metóda identifikácie orientácie alebo smeru vinutí transformátora sa nazýva "konvencia". Potom sú vinutia transformátorov navinuté tak, aby medzi napätiami vinutia existovali správne fázové vzťahy, pričom polarita transformátorov je definovaná ako relatívna polarita sekundárneho napätia vzhľadom na primárne napätie, ako je znázornené na obrázku nižšie.

Označenie transformátora využívajúca bodovú orientáciu.

Prvý transformátor zobrazuje svoje dve „bodky“ vedľa seba na dvoch vinutiach. Prúd opúšťajúci sekundárnu bodku je "vo fáze" a prúd vstupuje do primárnej "bočnej bodky". Polarita napätí na "bodkovaných" koncoch je teda tiež fázová, takže keď je napätie kladné na "bodkovanom" konci primárnej cievky, napätie na sekundárnej cievke je tiež kladné na "bodkovanom" konci.

Druhý transformátor zobrazuje dve bodky na opačných koncoch vinutí, čo znamená, že primárne a sekundárne vinutie transformátora je navinuté v opačných smeroch. Výsledkom je, že prúd opúšťajúci sekundárny bod je 180 ° "mimo fázy" a prúd vstupuje do primárneho bodu. Takže polarity napätí na "bodkovaných" koncoch sú tiež mimo fázy, takže keď je napätie kladné na "bodkovanom" konci primárnej cievky, bude napätie na zodpovedajúcej sekundárnej cievke záporné.

Konštrukcia transformátora potom môže byť taká, že sekundárne napätie môže byť vzhľadom na primárne napätie buď „fázové“ alebo „fázové“. V transformátoroch, ktoré majú množstvo rôznych sekundárnych vinutí, z ktorých je každé elektricky izolované, je dôležité poznať bodovú polaritu sekundárnych vinutí, aby mohli byť navzájom spojené sériovo (sčítané sekundárne napätie) alebo sériovo protichodné (sekundárne napätie je rozdiel) konfigurácie.

Schopnosť upraviť pomer závitov transformátora je často žiaduca na vyrovnanie účinkov zmien primárneho napájacieho napätia, regulácie transformátora alebo meniacich sa podmienok zaťaženia. Regulácia napätia transformátora sa zvyčajne vykonáva zmenou pomeru závitov, a teda jeho pomerom napätia, pri ktorom je časť primárneho vinutia na strane vysokého napätia vyvedená, čo umožňuje ľahké nastavenie. Odbočenie je preferované na strane vysokého napätia, pretože počet voltov na otáčku je nižší ako na sekundárnej strane nízkeho napätia.

V tomto jednoduchom príklade sa zmeny primárneho vinutia počítajú pre zmenu napájacieho napätia ± 5%, ale je možné zvoliť ľubovoľnú hodnotu. Niektoré transformátory môžu mať dve alebo viac primárnych alebo dve alebo viac sekundárnych vinutí na použitie v rôznych aplikáciách poskytujúcich rôzne napätia z jedného jadra.

Straty v jadre transformátora

Schopnosť železa alebo ocele prenášať magnetický tok je oveľa väčšia ako vo vzduchu, a táto schopnosť umožniť prúdenie magnetického toku sa nazýva priepustnosť. Väčšina jadier transformátorov je vyrobená z nízkouhlíkových ocelí, ktoré môžu mať permeabilitu rádovo 1500 v porovnaní zo vzduchom iba 1.0.

To znamená, že oceľové lamelové jadro môže niesť magnetický tok 1500-krát lepší ako magnetický tok vo vzduchu. Keď však magnetický tok prúdi v oceľovom jadre transformátora, v oceli nastávajú dva typy strát. Jedna sa označuje ako "straty vírivým prúdom" a druhá ako "hysterézné straty".

Hysterézne straty

Hysterézné straty transformátora sú spôsobené trením molekúl proti toku magnetických siločiar potrebných na magnetizáciu jadra, ktoré sa neustále menia čo do hodnoty a smeru najskôr v jednom smere a potom v druhom v dôsledku vplyvu sínusoidu napájacieho napätia.

Toto molekulárne trenie spôsobuje vznik tepla, čo predstavuje stratu energie pre transformátor. Nadmerné tepelné straty môžu nadčasovo skrátiť životnosť izolačných materiálov použitých pri výrobe vinutí a konštrukcií. Preto je chladenie transformátora veľmi dôležité.

Transformátory sú tiež navrhnuté tak, aby fungovali pri konkrétnej napájacej frekvencii. Zníženie frekvencie napájania povedie k zvýšenej hysterézii a vyššej teplote v železnom jadre. Takže zníženie napájacej frekvencie zo 60 Hz na 50 Hz zvýši množstvo prítomnej hysterézie, čo zníži VA kapacitu transformátora.

Straty vírivých prúdov

Straty vírivých prúdov transformátora sú na druhej strane spôsobené tokom cirkulujúcich prúdov indukovaných do ocele spôsobených tokom magnetického toku okolo jadra. Tieto cirkulujúce prúdy sa generujú, pretože pre magnetický tok jadra funguje ako jeden závit drôtu. Pretože železné jadro je dobrý vodič, vírivé prúdy indukované pevným železným jadrom budú veľké.

Vírivé prúdy neprispievajú k účinnosti transformátora, ale naopak bránia toku indukovaného prúdu pôsobením ako negatívna sila generujúca odporové zahrievanie a stratu výkonu v jadre.

Lamely jadra transformátora

Straty vírivých prúdov v jadre transformátora nie je možné úplne vylúčiť, je ich však možné výrazne znížiť. Namiesto toho, aby ako materiál magnetického jadra transformátora alebo cievky bolo použité jedno veľké pevné železné jadro, magnetická cesta sa rozdelí na viac tenkých lamiel čo významne eliminuje tieto straty.

Lamely použité v konštrukcii transformátora sú veľmi tenké pásy izolovaného kovu spojené dohromady, aby vytvorili jedno  pevné jadro, ako je tomu na obrázku vyššie. Tieto lamely sú navzájom izolované vrstvou laku alebo izolačného papiera, aby sa zvýšil efektívny odpor jadra, čím sa zvýši aj jeho celkový odpor, a tým sa významne obmedzil tok vírivých prúdov.

Straty energie, ktoré sa javia ako teplo v dôsledku hysterézie a vírivých prúdov v magnetickej ceste, sa bežne nazývajú "straty jadra transformátora". Pretože tieto straty sa vyskytujú vo všetkých magnetických materiáloch v dôsledku striedania magnetických polí. Straty v jadre transformátora sú vždy prítomné v transformátore, kedykoľvek je primárne napájané, aj keď na sekundárne vinutie nie je pripojená žiadna záťaž. Aj tieto hysterézie a straty vírivých prúdov sa niekedy označujú ako "straty železa transformátora", pretože magnetický tok spôsobujúci tieto straty je pri všetkých zaťaženiach konštantný.

Straty v medi

Existuje však aj iný typ straty energie spojený s transformátormi, ktorý sa nazýva "straty v medi". Straty v medi z transformátora sú spôsobené hlavne elektrickým odporom primárneho a sekundárneho vinutia. Väčšina transformátorových cievok je vyrobená z medeného drôtu, ktorý má merný odpor v ohmoch (Ω). Tento odpor je proti magnetizujúcim prúdom, ktoré nimi pretekajú.

Keď je záťaž pripojená k sekundárnemu vinutiu transformátorov, pretekajú veľké elektrické prúdy v primárnom aj sekundárnom vinutí, straty elektrickej energie a energie (alebo I² x R) sa vyskytujú ako teplo. Straty v medi sa všeobecne líšia podľa prúdu záťaže, pri behu transformátora naprázdno sú takmer nulové a pri maximálnom prúdení sú maximálne pri plnom zaťažení.

VA hodnotu transformátorov je možné zvýšiť lepšou konštrukciou transformátora, aby sa znížili tieto straty jadra a medi. Transformátory s vysokým menovitým napätím a prúdom si vyžadujú vodiče veľkého prierezu, aby sa minimalizovali straty v medi. VA hodnotu transformátora môže zvýšiť aj zvýšenie rýchlosti odvádzania tepla (lepšie chladenie) núteným chladením alebo olejom alebo zlepšenie izolácie transformátorov tak, aby odolávali vyšším

Potom môžeme definovať ideálny transformátor, ktorý má:

• Žiadne hysterézne slučky alebo straty hysteréziou → 0
• Nekonečný odpor materiálu jadra s nulovými stratami vírivých prúdov → 0
• Nulová impedancia vinutia s nulovými stratami v medi I² x R → 0