Kako delujejo transformatorji

Kako delujejo transformatorji

Glede na opredelitev iz Wikipedija električni transformator je nepremična oprema, ki z magnetno indukcijo izmenjuje električno energijo v nekaj tesno navitih tuljavah.



Nenehno spreminjajoči se tok v enem navitju transformatorja ustvarja spremenljiv magnetni tok, ki posledično inducira različno elektromotorno silo v drugi tuljavi, zgrajeni nad istim jedrom.

Osnovno delovno načelo

Transformatorji v bistvu delujejo tako, da prenašajo električno moč med par tuljav z medsebojno indukcijo, ne da bi bili odvisni od kakršne koli oblike neposrednega stika med obema navitjema.





Ta postopek prenosa električne energije z indukcijo je bil prvič dokazan s Faradayevim indukcijskim zakonom leta 1831. Po tem zakonu se inducirana napetost na dveh tuljah ustvarja zaradi različnega magnetnega pretoka, ki obdaja tuljavo.

Temeljna naloga transformatorja je stopnjevanje ali zmanjševanje izmenične napetosti / toka v različnih razmerjih glede na zahtevo aplikacije. Razmerja se določajo glede na število obratov in razmerje obratov navitja.



Analiza idealnega transformatorja

Lahko si predstavljamo, da je idealen transformator hipotetična zasnova, ki je skoraj brez kakršnih koli izgub. Poleg tega ima lahko ta idealna zasnova primarno in sekundarno navitje popolnoma medsebojno povezana.

Kar pomeni, da je magnetna vez med obema navitjema skozi jedro, katerega magnetna prepustnost je neskončna, in z induktivnostmi navitja s skupno ničelno magnetno silo.

Vemo, da v transformatorju uporabljeni izmenični tok v primarnem navitju poskuša uveljaviti spremenljiv magnetni tok znotraj jedra transformatorja, ki vključuje tudi sekundarno navitje, obkroženo okoli njega.

Zaradi tega spremenljivega pretoka se na sekundarnem navitju z elektromagnetno indukcijo inducira elektromotorna sila (EMF). To povzroči nastanek pretoka na sekundarnem navitju z velikostjo, ki je nasprotna, vendar enaka toku primarnega navitja, v skladu s Lenz'zov zakon .

Ker jedro nosi neskončno magnetno prepustnost, se lahko celoten (100%) magnetni tok prenaša preko obeh navitij.

To pomeni, da kadar primarni tok deluje na vir izmeničnega toka in je obremenitev priključena na sponke sekundarnega navitja, tok teče skozi ustrezno navitje v smeri, kot je prikazano na naslednjem diagramu. V tem stanju je magnetna sila jedra nevtralizirana na nič.

Vljudnost slike: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

V tej idealni izvedbi transformatorja, ker je prenos toka preko primarnega in sekundarnega navitja 100%, bo po Faradayevem zakonu inducirana napetost na vsakem navitju popolnoma sorazmerna številu obratov navitja, kot je prikazano v nadaljevanju slika:

Izračun razmerja obratov transformatorja po Faradayu

Testni video Preverjanje linearne povezave med razmerjem primarnega / sekundarnega obrata.

OBMOČJA IN NAPETOST

Poskusimo podrobno razumeti izračune razmerja obratov:

Neto velikost napetosti, inducirane od primarnega do sekundarnega navitja, preprosto določimo z razmerjem med številom zavojev na primarnem in sekundarnem odseku.

Vendar to pravilo velja le, če je transformator blizu idealnega transformatorja.

Idealen transformator je tisti transformator, ki ima zanemarljive izgube v obliki kožnega učinka ali vrtinčnega toka.

Vzemimo primer spodnje slike 1 (za idealen transformator).

Recimo, da je primarno navitje sestavljeno iz približno 10 obratov, sekundarno pa samo z enim navitjem. Zaradi elektromagnetne indukcije se linije toka, ki nastanejo skozi primarno navitje kot odziv na vhodni izmenični tok, izmenično širijo in sesujejo, prerežejo pa 10 zavojev primarnega navitja. To povzroči natančno sorazmerno količino napetosti na sekundarnem navitju, odvisno od razmerja obratov.

Navijanje, ki je dobavljeno z AC vhodom, postane primarno navitje, medtem ko dopolnilno navitje, ki proizvaja izhod z magnetno indukcijo iz primarnega, postane sekundarno navitje.

Slika (1)

Ker ima sekundar samo en ovinek, doživi sorazmeren magnetni tok čez en sam zavoj glede na 10 zavojev primarnega.

Ker je napetost, ki se uporablja na primarnem sistemu, 12 V, bi bilo vsako njegovo navitje izpostavljeno števcu EMF 12/10 = 1,2 V, in ravno to je velikost napetosti, ki bi vplivala na en sam zavoj, ki je prisoten čez sekundarni odsek. To je zato, ker ima enojno navitje, ki lahko odvzame samo enako ekvivalentno količino indukcije, ki je na voljo v enem obratu nad primarnim.

Tako bi lahko sekundar z enim obratom izvlekel 1,2V iz primarnega.

Zgornja razlaga kaže, da število obratov primarnega transformatorja linearno ustreza napajalni napetosti na njem in se napetost preprosto deli s številom obratov.

Tako je v zgornjem primeru, ker je napetost 12V in število obratov 10, neto števec EMF, induciran na vsakem od obratov, 12/10 = 1,2V

2. primer

Zdaj si ponazorimo spodnjo sliko 2, ki prikazuje podobno vrsto konfiguracije kot na sliki 1. pričakujte sekundar, ki ima zdaj 1 dodaten zavoj, to je 2 števili zavojev.

Ni treba posebej poudarjati, da bi zdaj sekundar prehajal dvakrat toliko linij pretoka v primerjavi s pogojem na sliki 1, ki je imel samo en obrat.

Tu bi torej sekundarno navitje prebralo približno 12/10 x 2 = 2,4 V, ker bi na dva zavoja vplivala velikost števca EMF, ki je lahko enakovreden na obeh navitjih na primarni strani trafo-a.

Iz zgornje razprave na splošno lahko sklepamo, da je razmerje med napetostjo in številom obratov na primarnem in sekundarnem transformatorju precej linearno in sorazmerno.

Številke obratov transformatorja

Tako lahko izpeljano formulo za izračun števila obratov za kateri koli transformator izrazimo kot:

Es / Ep = Ns / Np

kje,

  • Es = sekundarna napetost ,
  • Ep = primarna napetost,
  • Ns = število sekundarnih zavojev,
  • Np = število primarnih zavojev.

Razmerje primarnega sekundarnega obrata

Zanimivo bi bilo opozoriti, da zgornja formula kaže na neposredno povezavo med razmerjem med sekundarno in primarno napetostjo in sekundarno s primarnim številom zavojev, ki so označeni kot sorazmerni in enaki.

Zato lahko zgornjo enačbo izrazimo tudi kot:

Ep x Ns = Es x Np

Nadalje lahko izpeljemo zgornjo formulo za reševanje Es in Ep, kot je prikazano spodaj:

Es = (Ep x Ns) / Np

podobno,

Ep = (Es x Np) / Ns

Zgornja enačba kaže, da če so na voljo katere koli 3 magnitude, je četrto velikost mogoče enostavno določiti z reševanjem formule.

Reševanje praktičnih problemov z navijanjem transformatorjev

Primer točke 1: Transformator ima 200 število obratov v primarnem odseku, 50 število obratov v sekundarnem in 120 voltov, povezanih preko primarnega (Ep). Kakšna bi lahko bila napetost na sekundaru (E)?

Glede na:

  • Np = 200 obratov
  • Ns = 50 obratov
  • Ep = 120 voltov
  • Je =? voltov

Odgovor:

Es = EpNs / Np

Zamenjava:

Es = (120V x 50 obratov) / 200 obratov

Es = 30 voltov

Primer iz točke 2 : Recimo, da imamo 400 tuljav žice v tuljavi z železnim jedrom.

Ob predpostavki, da je tuljava potrebna kot primarno navitje transformatorja, izračunajte število zavojev, ki jih je treba naviti na tuljavi, da pridobite sekundarno navitje transformatorja, da zagotovite sekundarno napetost enega volta v situaciji, ko primarni napetost je 5 voltov?

Glede na:

  • Np = 400 obratov
  • Ep = 5 voltov
  • Es = 1 volt
  • Ns =? obrača

Odgovor:

EpNs = EsNp

Prenašanje za Ns:

Ns = EsNp / Ep

Zamenjava:

Ns = (1V x 400 obratov) / 5 voltov

Ns = 80 obratov

Upoštevajte: Razmerje napetosti (5: 1) je enakovredno razmerju navijanja (400: 80). Občasno se vam kot nadomestek določenih vrednosti dodeli razmerje obrata ali napetosti.

V takih primerih lahko preprosto prevzamete poljubno število za eno od napetosti (ali navitja) in iz razmerja določite drugo nadomestno vrednost.

Recimo, da je za ponazoritev razmerje navitja 6: 1, lahko si predstavljate količino obratov za primarni odsek in ugotovite enakovredno sekundarno število obratov s podobnimi razmerji, kot so 60:10, 36: 6, 30: 5 itd.

Transformator v vseh zgornjih primerih ima manjše število obratov v sekundarnem odseku v primerjavi s primarnim odsekom. Iz tega razloga lahko najdete manjšo napetost na sekundarni strani trafoa in ne na primarni strani.

Kaj so transformatorji Step-up in Step-Down

Transformator s sekundarno stransko napetostjo, nižjo od primarne stranske napetosti, se imenuje a STOP-DOL transformator .

Ali pa, če je vhod izmeničnega toka pritrjen na navitje, ki ima večje število obratov, potem transformator deluje kot navzdol transformator.

Razmerje štirih proti enemu transformatorju navzdol je zapisano kot 4: 1. Transformator, ki vključuje manjše število obratov na primarni strani v primerjavi s sekundarno stranjo, bo ustvaril višjo napetost na sekundarni strani v primerjavi z napetostjo, priključeno na primarni strani.

Transformator, ki ima sekundarno stran, ocenjeno nad napetostjo na primarni strani, se imenuje STEP-UP transformator. Ali pa, če je AC vhod pritrjen na navitje, ki ima manjše število obratov, potem transformator deluje kot povečevalni transformator.

Razmerje povečevalnega transformatorja od enega do štirih mora biti zapisano kot 1: 4. Kot lahko vidite v obeh razmerjih, je velikost primarnega bočnega navitja dosledno omenjena na začetku.

Ali lahko uporabimo step-down transformator kot step-up transformator in obratno?

Da, vsekakor! Vsi transformatorji delujejo z enakim temeljnim načelom, kot je opisano zgoraj. Uporaba povečevalnega transformatorja kot padajočega transformatorja preprosto pomeni zamenjavo vhodnih napetosti na njihovem primarnem / sekundarnem navitju.

Na primer, če imate navaden napajalni transformator, ki vam zagotavlja 12-0-12V izhod iz 220V vhodnega izmeničnega toka, lahko isti transformator uporabite kot povečevalni transformator za izdelavo 220V izhodnega iz 12V AC vhod.

Klasičen primer je vezje pretvornika , kjer transformatorji nimajo nič posebnega. Vsi delajo z običajnimi transformatorji, ki so povezani na nasprotni način.

Vpliv obremenitve

Kadar je tovor ali električna naprava priključena na sekundarno navitje transformatorja, tok ali ojačevalniki tečejo čez sekundarno stran navitja skupaj z obremenitvijo.

Magnetni tok, ki ga ustvarja tok v sekundarnem navitju, sodeluje z magnetnimi linijami toka, ki ga ustvarjajo ojačevalci na primarni strani. Ta konflikt med obema črtama tokov nastane kot rezultat skupne induktivnosti med primarnim in sekundarnim navitjem.

Vzajemni tok

Absolutni tok materiala jedra transformatorja prevladuje tako na primarnem kot na sekundarnem navitju. Poleg tega lahko električna energija prehaja iz primarnega navitja v sekundarno navitje.

Ker ta tok združuje oba navitja, je pojav splošno znan kot VZAJEMNI TOK. Tudi induktivnost, ki ustvarja ta tok, prevladuje na obeh navitjih in se imenuje medsebojna induktivnost.

Na sliki (2) spodaj je prikazan tok, ki ga ustvarjajo tokovi v primarnem in sekundarnem navitju transformatorja vsakič, ko je v primarnem navitju vklopljen napajalni tok.

Slika (2)

Kadar je upor obremenitve priključen na sekundarno navitje, napetost, stimulirana v sekundarnem navitju, sproži tok, ki kroži v sekundarnem navitju.

Ta tok ustvarja obročne tokove okoli sekundarnega navitja (označene s pikčastimi črtami), ki so lahko alternativa pretočnemu polju okoli primarnega (Lenzov zakon).

Posledično tok okoli sekundarnega navitja prekliče večino toka okoli primarnega navitja.

Z manjšo količino toka, ki obkroža primarno navitje, se reverzna emf zmanjša in več ojačevalnikov sesa iz dovoda. Dodatni tok v primarnem navitju sprosti dodatne črte toka, kar v veliki meri ponovno vzpostavi začetno količino linij absolutnega toka.

OBRATI IN TEKOČI RAZMERJI

Količina pretočnih vodov, ki nastanejo v jedru trafo, je sorazmerna magnetizacijski sili

(V AMPERE-OBRTIH) primarnega in sekundarnega navitja.

Obračanje ampera (I x N) kaže na magnetno gibalno silo, kar lahko razumemo kot magnetno silo, ki jo ustvari en amper toka, ki teče v tuljavi z 1 obratom.

Pretok, ki je na voljo v jedru transformatorja, obdaja primarno in sekundarno navitje.

Glede na to, da je pretok enak za vsako navitje, morajo biti amperski zavoji v vsakem, primarnem in sekundarnem navitju vedno enaki.

Za ta razlog:

IpNp = IsNs

Kje:

IpNp = amper / zavoji v primarnem navitju
IsNs - amper / zavoji v sekundarnem navitju

Z deljenjem obeh strani izraza z
Ip , dobimo:
Np / Ns = Is / Ip

od: Es / Ep = Ns / Np

Nato: Ep / Es = Np / Ns

Tudi: Ep / Es = Je / Ip

kje

  • Ep = napetost, ki se uporabi na primarnem v voltih
  • Es = napetost na sekundaru v voltih
  • Ip = tok v primarnem v Amp
  • Is = tok v sekundarnem ojačevalniku

Upoštevajte, da enačbe kažejo, da je ampersko razmerje obratno navitju ali razmerju obratov ter napetostno razmerje.

To pomeni, da lahko transformator z manj števila obratov na sekundarni strani v primerjavi s primarno zmanjša napetost, vendar bi povečal tok. Na primer:

Recimo, da ima transformator napetostno razmerje 6: 1.

Poskusite najti tok ali ojačevalce na sekundarni strani, če je tok ali ojačevalnik na primarni strani 200 miliamperov.

Recimo

Ep = 6V (kot primer)
Je = 1V
Ip = 200mA ali 0,2Amp
Je =?

Odgovor:

Ep / Es = Je / Ip

Prenos za Is:

Je = EpIp / Es

Zamenjava:

Je = (6V x 0,2A) / 1V
Je = 1,2A

Zgornji scenarij obravnava, da so ojačevalci v sekundarnem navitju kljub dejstvu, da je napetost na sekundarnem navitju ena šestina napetosti na primarnem navitju, 6-krat večji kot v primarnem navitju.

Zgornje enačbe bi lahko zelo dobro gledali z alternativne perspektive.

Razmerje navitja pomeni vsoto, skozi katero transformator poveča, poveča ali zmanjša napetost, priključeno na primarno stran.

Samo za ponazoritev, recimo, če ima sekundarno navitje transformatorja dvakrat toliko zavojev kot primarno navitje, bo napetost, stimulirana na sekundarni strani, verjetno dvakrat večja od napetosti na primarnem navitju.

Če ima sekundarno navitje polovico števila obratov primarne strani, bo napetost na sekundarni strani enaka polovici napetosti na primarnem navitju.

Ob tem je razmerje navitij skupaj z ojačevalnim razmerjem transformatorja inverzna asociacija.

Posledično bi lahko imel povečevalni transformator 1: 2 polovico ojačevalnika na sekundarni strani v primerjavi s primarno stranjo. Odstopajoči transformator 2: 1 ima lahko dvakrat večji amp v sekundarnem navitju glede na primarno stran.

Ilustracija: Transformator z razmerjem navijanja 1:12 ima 3 ampere toka na sekundarni strani. Ugotovite velikost amperov v primarnem navitju?

Glede na:

Np = 1 obrat (na primer)
Ns = 12 obratov
Je = 3Amp
Lp =?

Odgovor:

Np / Ns = Is / Ip

Zamenjava:

Ip = (12 obratov x 3 Amp) / 1 obrat

Ip = 36A

Izračun medsebojne induktivnosti

Vzajemna indukcija je postopek, pri katerem eno navitje prehaja skozi indukcijo EMF zaradi hitrosti spremembe toka sosednjega navitja, ki vodi do induktivne sklopke med navitjem.

Z drugimi besedami Vzajemna induktivnost razmerje inducirane emf na enem navitju do hitrosti spremembe toka na drugem navitju, izraženo v naslednji formuli:

M = emf / di (t) / dt

Faziranje transformatorjev:

Običajno pri preučevanju transformatorjev večina od nas verjame, da sta napetost in tokovi primarnega in sekundarnega navitja medsebojno v fazi. Vendar to morda ne drži vedno. Pri transformatorjih je razmerje med napetostjo, tokovnim faznim kotom na primarnem in sekundarnem odvisno od tega, kako se ta navitja obračajo okoli jedra. Odvisno od tega, ali sta oba v nasprotni smeri urnega kazalca ali v smeri urnega kazalca, ali je lahko eno navitje obrnjeno v smeri urinega kazalca, drugo pa v nasprotni smeri urnega kazalca.

Oglejmo si naslednje diagrame, da bomo razumeli, kako usmerjanje navitja vpliva na fazni kot:

V zgornjem primeru so smeri navijanja videti enake, to je, da sta tako primarni kot sekundarni navit obrnjeni v smeri urinega kazalca. Zaradi te enake usmeritve je fazni kot izhodnega toka in napetosti enak faznemu kotu vhodnega toka in napetosti.

V drugem zgornjem primeru je razvidna smer navitja transformatorja navita z nasprotno usmeritvijo. Kot je razvidno, se zdi, da je primar usmerjen v smeri urinega kazalca, medtem ko je sekundar navit v nasprotni smeri urnega kazalca. Zaradi te nasprotne usmerjenosti navitij je fazni kot med obema navitjema narazen 180 stopinj, inducirani sekundarni izhod pa kaže izvenfazni tok in napetostni odziv.

Dot Notation in Dot Convention

Da bi se izognili zmedam, je za prikaz orientacije navitja transformatorja uporabljen zapis pik ali konvencija pik. To uporabniku omogoča razumevanje specifikacij vhodnega in izhodnega faznega kota, ne glede na to, ali sta primarno in sekundarno navitje v fazi ali izven faze.

Konvencija pik se izvaja s točkovnimi oznakami čez začetno točko navitja, ki kažejo, ali so navitja med seboj v fazi ali izven faze.

Naslednja shema transformatorja ima oznako konvencionalne pike in pomeni, da sta primarni in sekundarni transformator medsebojno v fazi.

Konvencija s pikami, ki prikazuje primarni in sekundarni navit transformatorja, je v fazi

Oznaka pik, uporabljena na spodnji sliki, prikazuje DOT-je, nameščene na nasprotnih točkah primarnega in sekundarnega navitja. To pomeni, da usmerjenost navijanja obeh strani ni enaka, zato bo fazni kot na obeh navitjih 180 stopinj zunaj faze, ko bo na enem od navitij vstavljen izmenični vhod.

Izgube v resničnem transformatorju

Izračuni in formule, obravnavani v zgornjih odstavkih, so temeljili na idealnem transformatorju. Vendar pa je v resničnem svetu in za pravi transformator scenarij lahko precej drugačen.

Ugotovili boste, da bodo v idealni zasnovi prezrti naslednji temeljni linearni dejavniki realnih transformatorjev:

(a) Številne vrste izgub v jedru, skupaj znane kot magnetizacijske izgube toka, ki lahko vključujejo naslednje vrste izgub:

  • Izgube zaradi histereze: to je posledica nelinearnih vplivov magnetnega pretoka na jedro transformatorja.
  • Izgube na vrtinčnem toku: Ta izguba nastane zaradi pojava, imenovanega džulno ogrevanje v jedru transformatorja. Sorazmerna je kvadratu napetosti, ki je priključena na primar transformatorja.

(b) V nasprotju z idealnim transformatorjem upor navitja v pravem transformatorju nikoli ne more imeti ničelnega upora. To pomeni, da bo navitje sčasoma povezano z uporom in induktivnostmi.

  • Joulove izgube: Kot je razloženo zgoraj, upor, ustvarjen na terminalih navitja, povzroči Joulove izgube.
  • Pretok puščanja: Vemo, da so transformatorji močno odvisni od magnetne indukcije čez svoje navitje. Ker pa so navitja zgrajena na skupnem enojnem jedru, kaže magnetni tok tendenco puščanja po navitju skozi jedro. To povzroči impedanco, imenovano primarna / sekundarna reaktivna impedanca, ki prispeva k izgubam transformatorja.

(c) Ker je transformator tudi vrsta induktorja, nanj vpliva tudi pojav, kot sta parazitska kapacitivnost in samoresonanca, zaradi razporeditve električnega polja. Te parazitske kapacitivnosti so običajno lahko v treh različnih oblikah, kot je navedeno spodaj:

  • Kapacitivnost, ustvarjena med zavoji eden nad drugim znotraj ene plasti
  • Zmogljivost, ustvarjena v dveh ali več sosednjih slojih
  • Ustvarjena kapacitivnost med jedrom transformatorja in slojem (-i) navijanja, ki leži (-jo) ob jedru

Zaključek

Iz zgornje razprave lahko razberemo, da v praktičnih aplikacijah za izračun transformatorja, zlasti transformator iz železnega jedra, morda ni tako preprost, kot bi bil idealen transformator.

Da bi dobili najbolj natančne rezultate za podatke o navijanju, bomo morda morali upoštevati številne dejavnike, kot so: gostota toka, površina jedra, velikost jedra, širina jezika, površina oken, vrsta materiala jedra itd.

O vseh teh izračunih lahko izveste več pod to objavo:




Prejšnja: Vezje ultrazvočnega indikatorja nivoja goriva Naprej: Primerjalna vezja z uporabo IC 741, IC 311, IC 339