Ako fungujú transformátory

Podľa definície uvedenej v Wikipedia elektrický transformátor je stacionárne zariadenie, ktoré prostredníctvom magnetickej indukcie vymieňa elektrickú energiu cez niekoľko tesne navinutých cievok.

Neustále sa meniaci prúd v jednom vinutí transformátora generuje meniaci sa magnetický tok, ktorý následne indukuje meniacu sa elektromotorickú silu na druhú cievku postavenú na rovnakom jadre.

Základný pracovný princíp

Transformátory v zásade fungujú tak, že sa elektrická energia prenáša medzi dvojicou cievok prostredníctvom vzájomnej indukcie bez toho, aby bol priamy kontakt medzi dvoma vinutiami závislý od akejkoľvek formy.

Tento proces prenosu elektriny indukciou prvýkrát dokázal Faradayov zákon indukcie v roku 1831. Podľa tohto zákona sa indukované napätie na dvoch cievkach vytvára v dôsledku meniaceho sa magnetického toku obklopujúceho cievku.

Základnou funkciou transformátora je zosilnenie alebo zosilnenie striedavého napätia / prúdu v rôznych pomeroch podľa požiadaviek aplikácie. O proporciách rozhoduje počet závitov a pomer závitov vinutia.

Analýza ideálneho transformátora

Ideálny transformátor si môžeme predstaviť ako hypotetický návrh, ktorý môže byť prakticky bez akejkoľvek straty. Navyše, tento ideálny dizajn môže mať svoje primárne a sekundárne vinutie dokonale navzájom spojené.

To znamená, že magnetické spojenie medzi dvoma vinutiami je vedené cez jadro, ktorého magnetická permeabilita je nekonečná, a s indukčnosťami vinutia pri celkovej nulovej magnetomotorickej sile.

Vieme, že v transformátore sa aplikovaný striedavý prúd v primárnom vinutí snaží presadiť meniaci sa magnetický tok v jadre transformátora, ktorý zahŕňa aj sekundárne vinutie obklopené okolo neho.

Kvôli tomuto premenlivému toku je elektromagnetická sila (EMF) indukovaná na sekundárnom vinutí elektromagnetickou indukciou. To má za následok generovanie toku na sekundárnom vinutí s veľkosťou, ktorá je opačná, ale rovná sa toku primárneho vinutia, podľa Lenz'zov zákon .

Pretože jadro nesie nekonečnú magnetickú permeabilitu, celý (100%) magnetický tok je schopný preniesť sa cez obe vinutia.

To znamená, že keď je primárny zdroj napájaný striedavým prúdom a je pripojená záťaž k svorkám sekundárneho vinutia, prúd preteká príslušným vinutím v smeroch, ako je uvedené v nasledujúcom diagrame. V tomto stave je magnetomotorická sila jadra neutralizovaná na nulu.

Obrázok so zdvorilosťou: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

V tomto ideálnom prevedení transformátora, pretože prenos toku cez primárne a sekundárne vinutie je 100%, bude podľa Faradayovho zákona indukované napätie na každom z vinutí dokonale úmerné počtu závitov vinutia, ako je zobrazené v nasledujúcom obrázok:

Testovacie video overujúce lineárny vzťah medzi primárnym / sekundárnym pomerom otáčania.

POMERY OBRATOV A NAPÄTIA

Pokúsme sa podrobne porozumieť výpočtom prevodového pomeru:

Čistá veľkosť napätia indukovaného z primárneho na sekundárne vinutie je jednoducho určená pomerom počtu závitov navinutých na primárnom a sekundárnom úseku.

Toto pravidlo však platí, iba ak je transformátor blízko ideálneho transformátora.

Ideálnym transformátorom je transformátor, ktorý má zanedbateľné straty vo forme efektu kože alebo vírivých prúdov.

Zoberme si príklad na obrázku 1 nižšie (pre ideálny transformátor).

Predpokladajme, že primárne vinutie pozostáva z približne 10 závitov, zatiaľ čo sekundárne iba s jedným vinutím. V dôsledku elektromagnetickej indukcie sa línie toku generovaného cez primárne vinutie v reakcii na vstupný striedavý prúd striedavo rozširujú a zrútia a prerezávajú 10 závitov primárneho vinutia. To má za následok presne proporcionálne množstvo napätia indukovaného cez sekundárne vinutie v závislosti od pomeru otáčok.

Vinutie dodávané so vstupom striedavého prúdu sa stáva primárnym vinutím, zatiaľ čo doplnkové vinutie, ktoré produkuje výstup magnetickou indukciou z primárneho, sa stáva sekundárnym vinutím.

Postava 1)

Pretože sekundárny má iba jednu otáčku, zažíva proporcionálny magnetický tok cez svoju jednu otáčku vzhľadom na 10 závitov primárnej.

Preto, pretože napätie privedené na primárny zdroj je 12 V, potom by každé z jeho vinutí bolo vystavené počítadlu EMF 12/10 = 1,2 V, a to je presne veľkosť napätia, ktoré by ovplyvňovalo jedno otočenie prítomné v sekundárny oddiel. Je to preto, lebo má jediné vinutie, ktoré je schopné vyťažiť iba rovnaké ekvivalentné množstvo indukcie, aké môže byť k dispozícii pri jednom otočení primárneho obvodu.

Sekundárny zdroj s jednou otáčkou by teda bol schopný z primárneho zdroja vyťažiť 1,2 V.

Vyššie uvedené vysvetlenie naznačuje, že počet závitov na primárnom transformátore lineárne zodpovedá napájaciemu napätiu na ňom a napätie sa jednoducho vydelí počtom závitov.

Preto vo vyššie uvedenom prípade, pretože napätie je 12V a počet závitov je 10, bude sieťový čítač EMF indukovaný v každom z závitov 12/10 = 1,2 V

Príklad č

Teraz si predstavme obrázok 2 nižšie, ktorý ukazuje podobný typ konfigurácie ako na obrázku 1. Očakávajte sekundárnu, ktorá má teraz 1 ďalšiu zákrutu, to znamená 2 počty zákrut.

Nie je potrebné hovoriť, že teraz by sekundárna jednotka prechádzala dvakrát viac tokmi toku v porovnaní so stavom na obrázku 1, ktorý mal iba jednu otáčku.

Takže tu by sekundárne vinutie čítalo okolo 12/10 x 2 = 2,4 V, pretože tieto dva závity by boli ovplyvnené veľkosťou počítadla EMF, ktorá môže byť ekvivalentná cez obe vinutia na primárnej strane trafa.

Z vyššie uvedenej diskusie všeobecne teda môžeme vyvodiť záver, že v transformátore je vzťah medzi napätím a počtom závitov na primárnom a sekundárnom princípe dosť lineárny a proporcionálny.

Čísla transformátorov

Odvodený vzorec na výpočet počtu závitov pre akýkoľvek transformátor teda možno vyjadriť ako:

Es / Ep = Ns / Np

kde,

• Es = sekundárne napätie ,
• Ep = primárne napätie,
• Ns = počet sekundárnych závitov,
• Np = počet primárnych závitov.

Pomer primárneho a sekundárneho obratu

Bolo by zaujímavé poznamenať, že vyššie uvedený vzorec označuje priamy vzťah medzi pomerom sekundárneho k primárnemu napätiu a sekundárnym k primárnemu počtu závitov, ktoré sú označené ako proporčné a rovnaké.

Preto je možné vyššie uvedenú rovnicu vyjadriť ako:

Ep x Ns = Es x Np

Ďalej môžeme odvodiť vyššie uvedený vzorec na riešenie Es a Ep, ako je uvedené nižšie:

Es = (Ep x Ns) / Np

podobne,

Ep = (Es x Np) / Ns

Vyššie uvedená rovnica ukazuje, že ak sú k dispozícii nejaké 3 veličiny, štvrtá magnitúda by sa dala ľahko určiť riešením vzorca.

Riešenie praktických problémov s vinutím transformátora

Prípad v bode 1: Transformátor má v primárnej časti 200 závitov, v sekundárnom počte 50 závitov a cez primár (Ep) zapojených 120 voltov. Aké môže byť napätie na sekundárnom (E)?

Dané:

• Np = 200 otáčok
• Ns = 50 závitov
• Ep = 120 voltov
• Je =? voltov

Odpoveď:

Es = EpNs / Np

Nahradenie:

Es = (120 V x 50 otáčok) / 200 otáčok

Es = 30 voltov

Prípad v bode 2 : Predpokladajme, že máme 400 závitov drôtu v železnej cievke.

Za predpokladu, že sa ako primárne vinutie transformátora musí použiť cievka, vypočítajte počet závitov, ktoré je potrebné navinúť na cievku, aby sa získalo sekundárne vinutie transformátora, aby sa zabezpečilo sekundárne napätie jedného voltu v situácii, keď primárne vinutie napätie je 5 voltov?

Dané:

• Np = 400 otáčok
• Ep = 5 voltov
• Es = 1 volt
• Ns =? obraty

Odpoveď:

EpNs = EsNp

Transpozícia pre Ns:

Ns = EsNp / Ep

Nahradenie:

Ns = (1 V x 400 závitov) / 5 voltov

Ns = 80 závitov

Mať na pamäti: Pomer napätia (5: 1) je ekvivalentný s pomerom vinutia (400: 80). Príležitostne sa ako náhrada za konkrétne hodnoty ocitnete v pomere otáčok alebo napätia.

V takýchto prípadoch môžete jednoducho predpokladať ľubovoľné číslo pre jedno z napätí (alebo vinutia) a z tohto pomeru vypočítať inú alternatívnu hodnotu.

Pre ilustráciu, predpokladajme, že je pomer navíjania priradený 6: 1, môžete si predstaviť množstvo závitov pre primárnu časť a zistiť ekvivalentný sekundárny počet závitov pomocou podobných pomerov ako 60:10, 36: 6, 30: 5 atď.

Transformátor vo všetkých vyššie uvedených príkladoch nesie menší počet závitov v sekundárnej sekcii v porovnaní s primárnou sekciou. Z tohto dôvodu môžete nájsť menšie množstvo napätia na sekundárnej časti trafa, a nie na primárnej strane.

Čo sú to zosilňovače a zosilňovače

Transformátor, ktorý má menovité napätie na sekundárnej strane nižšie ako menovité napätie na primárnej strane, sa označuje ako a KROKOVÝ transformátor .

Alebo alternatívne, ak je na vstup vinutia, ktoré má vyšší počet závitov, pripojený vstup striedavého prúdu, potom transformátor funguje ako transformátor s postupným znižovaním.

Pomer stupňovitého transformátora štyri na jeden je označený ako 4: 1. Transformátor, ktorý obsahuje menší počet závitov na primárnej strane v porovnaní so sekundárnou stranou, vygeneruje vyššie napätie na sekundárnej strane v porovnaní s napätím pripojeným na primárnu stranu.

Transformátor, ktorý má sekundárnu stranu dimenzovanú na napätie na primárnej strane, sa nazýva STEP-UP transformátor. Alebo alternatívne, ak je vstup striedavého prúdu aplikovaný na vinutie, ktoré má nižší počet závitov, potom transformátor funguje ako zosilňovací transformátor.

Pomer stupňovitého transformátora jedna ku štyrom je potrebné vpísať ako 1: 4. Ako môžete vidieť v dvoch pomeroch, že veľkosť primárneho bočného vinutia je na začiatku dôsledne uvedená.

Môžeme použiť krokový transformátor ako zosilňovací transformátor a naopak?

Áno, určite! Všetky transformátory pracujú s rovnakým základným princípom, ako je popísané vyššie. Použitie zosilňovacieho transformátora ako zosilňovacieho transformátora jednoducho znamená zámenu vstupných napätí cez ich primárne / sekundárne vinutie.

Napríklad, ak máte bežný zosilňovací transformátor napájania, ktorý vám poskytuje výstup 12-0-12V z 220V vstupného striedavého prúdu, môžete použiť rovnaký transformátor ako zosilňovací transformátor na výrobu 220V výstupu z 12V striedavého prúdu. vstup.

Klasickým príkladom je obvod meniča , kde transformátory v sebe nemajú nič zvláštne. Všetci pracujú pomocou bežných stupňovitých transformátorov zapojených opačne.

Vplyv zaťaženia

Kedykoľvek je záťaž alebo elektrické zariadenie pripojené cez sekundárne vinutie transformátora, prúd alebo zosilňovač prechádza popri sekundárnej strane vinutia spolu so záťažou.

Magnetický tok generovaný prúdom v sekundárnom vinutí interaguje s magnetickými líniami toku generovaného zosilňovačmi na primárnej strane. Tento konflikt medzi dvoma líniami tokov sa vytvára v dôsledku zdieľanej indukčnosti medzi primárnym a sekundárnym vinutím.

Mutual Flux

Absolútny tok v materiáli jadra transformátora prevláda tak v primárnom, ako aj v sekundárnom vinutí. Je to navyše spôsob, ktorým je elektrická energia schopná migrovať z primárneho vinutia na sekundárne vinutie.

Pretože tento tok spája obe vinutia, jav známy ako MUTUAL FLUX. Tiež indukčnosť, ktorá generuje tento tok, prevláda v obidvoch vinutiach a nazýva sa vzájomná indukčnosť.

Obrázok (2) nižšie zobrazuje tok vytváraný prúdmi v primárnom a sekundárnom vinutí transformátora zakaždým, keď je v primárnom vinutí zapnutý napájací prúd.

Obrázok (2)

Kedykoľvek je odpor záťaže pripojený k sekundárnemu vinutiu, napätie stimulované do sekundárneho vinutia vyvolá prúd, ktorý cirkuluje v sekundárnom vinutí.

Tento prúd vytvára krúžky toku okolo sekundárneho vinutia (označené bodkovanými čiarami), ktoré môžu slúžiť ako alternatíva k poli toku okolo primárneho (Lenzov zákon).

V dôsledku toho tok okolo sekundárneho vinutia ruší väčšinu toku okolo primárneho vinutia.

Pri menšom množstve toku obklopujúceho primárne vinutie sa reverzný emf zníži a zo zdroja sa nasaje viac zosilňovača. Doplnkový prúd v primárnom vinutí uvoľňuje ďalšie vedenia toku, čo do veľkej miery obnovuje počiatočné množstvo vedení absolútneho toku.

OBRATY A AKTUÁLNE POMERY

Množstvo tokov toku vyprodukovaných v trafo jadre je úmerné magnetizačnej sile

(V OBLASTI AMPERE) primárneho a sekundárneho vinutia.

Ampér-závit (I x N) je indikátorom magneticko-hnacej sily, dá sa to chápať ako magnetomotorická sila vyprodukovaná jedným ampérom prúdu prebiehajúcim v cievke s 1 otáčkou.

Tok, ktorý je k dispozícii v jadre transformátora, obklopuje primárne a sekundárne vinutie.

Vzhľadom na to, že tok je pre každé vinutie identický, mali by byť ampér-zákruty v každom, primárnom a sekundárnom vinutí vždy rovnaké.

Z toho dôvodu:

IpNp = IsNs

Kde:

IpNp = ampér / otáčky v primárnom vinutí
IsNs - ampér / zákruty v sekundárnom vinutí

Vydelením oboch strán výrazu
Ip , dostaneme:
Np / Ns = Is / Ip

od: Es / Ep = Ns / Np

Potom: Ep / Es = Np / Ns

Tiež: Ep / Es = Is / Ip

kde

• Ep = napätie aplikované na primárnu jednotku vo voltoch
• Es = napätie na sekundárnom prvku vo voltoch
• Ip = prúd v primárnom v Amp
• Is = prúd v sekundári v ampéroch

Všimnite si, že rovnice označujú pomer ampérov ako inverzný pomer vinutia alebo pomer otáčok, ako aj pomer napätia.

To znamená, že transformátor, ktorý má na sekundárnej strane menší počet závitov v porovnaní s primárnou, môže znižovať napätie, ale zvyšoval by prúd. Napríklad:

Predpokladajme, že transformátor má pomer napätia 6: 1.

Pokúste sa nájsť prúd alebo zosilňovač na sekundárnej strane, ak je prúd alebo zosilňovač na primárnej strane 200 miliampérov.

Predpokladajme

Ep = 6 V (ako príklad)
Je = 1V
Ip = 200 mA alebo 0,2 Amp
Je =?

Odpoveď:

Ep / Es = Is / Ip

Transpozícia pre Is:

Is = EpIp / Es

Nahradenie:

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

Vyššie uvedený scenár sa zameriava na to, že napriek skutočnosti, že napätie v sekundárnom vinutí je šestinová oproti napätiu v primárnom vinutí, je zosilnenie v sekundárnom vinutí 6-násobok zosilnenia v primárnom vinutí.

Na vyššie uvedené rovnice sa dá veľmi dobre pozerať z alternatívnej perspektívy.

Pomer vinutia znamená súčet, cez ktorý transformátor zvyšuje alebo zvyšuje alebo znižuje napätie pripojené k primárnej strane.

Len pre ilustráciu, predpokladajme, že ak má sekundárne vinutie transformátora dvojnásobný počet závitov ako primárne vinutie, bude napätie stimulované na sekundárnu stranu pravdepodobne dvojnásobkom napätia na primárnom vinutí.

V prípade, že sekundárne vinutie prenáša polovičný počet závitov na primárnej strane, bude napätie na sekundárnej strane polovičné ako napätie na primárnom vinutí.

To znamená, že pomer vinutia spolu s pomerom zosilňovača transformátora tvoria inverzné spojenie.

Výsledkom je, že zosilňovací transformátor 1: 2 môže mať polovicu zosilňovača na sekundárnej strane v porovnaní s primárnou stranou. Transformátor s redukciou 2: 1 môže mať v sekundárnom vinutí dvojnásobok zosilňovača oproti primárnej strane.

Ilustrácia: Transformátor s pomerom vinutia 1:12 má na sekundárnej strane prúd 3 A. Zistiť veľkosť zosilňovačov v primárnom vinutí?

Dané:

Np = napríklad 1 turn
Ns = 12 otáčok
Is = 3Amp
Lp =?

Odpoveď:

Np / Ns = Is / Ip

Nahradenie:

Ip = (12 otáčok x 3 Amp) / 1 otáčka

Ip = 36A

Výpočet vzájomnej indukčnosti

Vzájomná indukcia je proces, pri ktorom jedno vinutie prechádza indukciou EMF v dôsledku rýchlosti zmeny prúdu susedného vinutia, čo vedie k indukčnej väzbe medzi vinutím.

Inými slovami Vzájomná indukčnosť je pomer indukovaného emf na jednom vinutí k rýchlosti zmeny prúdu na druhom vinutí vyjadrený v nasledujúcom vzorci:

M = emf / di (t) / dt

Fázovanie transformátorov:

Normálne, keď skúmame transformátory, väčšina z nás verí, že napätie a prúdy primárneho a sekundárneho vinutia sú navzájom vo fáze. To však nemusí byť vždy pravda. V transformátoroch závisí vzťah medzi fázovým uhlom napätia, prúdu v primárnom a sekundárnom smere na tom, ako sú tieto vinutia otočené okolo jadra. Závisí to od toho, či sú obidve v protismere hodinových ručičiek, alebo v smere hodinových ručičiek, alebo môže byť jedno vinutie otočené v smere hodinových ručičiek, zatiaľ čo druhé vinutie proti smeru hodinových ručičiek.

Pozrime sa na nasledujúce diagramy, aby sme pochopili, ako orientácia vinutia ovplyvňuje fázový uhol:

Vo vyššie uvedenom príklade vyzerajú smery navíjania identicky, to znamená, že primárne aj sekundárne vinutie sú otočené v smere hodinových ručičiek. Vďaka tejto identickej orientácii je fázový uhol výstupného prúdu a napätia identický s fázovým uhlom vstupného prúdu a napätia.

V druhom príklade vyššie je možné smer vinutia transformátora vidieť navinutý s opačnou orientáciou. Ako je vidieť, primárne sa zdá byť v smere hodinových ručičiek, zatiaľ čo sekundárne je navinuté proti smeru hodinových ručičiek. Kvôli tejto opačnej orientácii vinutia je fázový uhol medzi dvoma vinutiami od seba vzdialený 180 stupňov a indukovaný sekundárny výstup vykazuje odozvu fázového prúdu a napätia.

Bodová notácia a bodková konvencia

Aby sa zabránilo zámene, používa sa na označenie orientácie vinutia transformátora bodková notácia alebo konvencia bodiek. To umožňuje užívateľovi porozumieť špecifikáciám fázového uhla vstupu a výstupu, či už je primárne a sekundárne vinutie vo fáze alebo mimo fázy.

Konvencia bodiek je implementovaná bodkovými značkami cez začiatočný bod vinutia, ktoré označujú, či sú vinutia navzájom vo fáze alebo mimo fázy.

Nasledujúca schéma transformátora nesie bodkovú konvenciu a znamená, že primárny a sekundárny transformátor sú vo fáze navzájom.

Bodová notácia použitá na ilustrácii nižšie zobrazuje DOT umiestnené protiľahlým bodom primárneho a sekundárneho vinutia. To naznačuje, že orientácia vinutia dvoch strán nie sú rovnaká, a preto bude fázový uhol naprieč dvoma vinutiami 180 stupňov mimo fázu, keď sa na jedno z vinutí použije vstup striedavého prúdu.

Straty v skutočnom transformátore

Výpočty a vzorce uvažované v predchádzajúcich odsekoch boli založené na ideálnom transformátore. Avšak v skutočnom svete a pre skutočný transformátor môže byť scenár veľmi odlišný.

Uvidíte, že v ideálnom prevedení budú nasledujúce základné lineárne faktory reálnych transformátorov ignorované:

(a) Mnoho druhov strát jadra, známe ako straty magnetickým prúdom, ktoré môžu zahŕňať nasledujúce typy strát:

• Straty hysterézie: sú to spôsobené nelineárnymi vplyvmi magnetického toku na jadro transformátora.
• Straty vírivých prúdov: Táto strata sa vytvára v dôsledku javu, ktorý sa nazýva jouleový ohrev v jadre transformátora. Je úmerná druhej mocnine napätia privedeného na primár transformátora.

b) Na rozdiel od ideálneho transformátora nemôže mať odpor vinutia v skutočnom transformátore nikdy nulový odpor. Znamená to, že vinutie bude mať nakoniec určitý odpor a indukčnosti.

• Straty Joule: Ako bolo vysvetlené vyššie, odpor generovaný na svorkách vinutia vedie k stratám Joule.
• Únikový tok: Vieme, že transformátory vo veľkej miere závisia od magnetickej indukcie v ich vinutí. Pretože sú však vinutia postavené na spoločnom jednom jadre, magnetický tok vykazuje tendenciu presakovať cez vinutie cez jadro. To vedie k vzniku impedancie nazývanej primárna / sekundárna reaktívna impedancia, ktorá prispieva k stratám transformátora.

c) Pretože je transformátor tiež určitým typom induktora, ovplyvňuje ho z dôvodu distribúcie elektrického poľa aj jav, ako je parazitná kapacita a vlastná rezonancia. Táto parazitická kapacita môže byť zvyčajne v 3 rôznych formách, ako je uvedené nižšie:

• Kapacita generovaná medzi závitmi jeden nad druhým vo vnútri jednej vrstvy
• Kapacita generovaná vo dvoch alebo viacerých susedných vrstvách
• Kapacita vytvorená medzi jadrom transformátora a navíjacími vrstvami ležiacimi vedľa jadra

Záver

Z vyššie uvedenej diskusie môžeme pochopiť, že v praktických aplikáciách nemusí byť výpočet transformátora, najmä transformátora so železným jadrom, taký jednoduchý, ako by bol ideálny transformátor.

Aby sme dosiahli čo najpresnejšie výsledky pre údaje o navíjaní, budeme musieť zvážiť veľa faktorov, ako sú: hustota toku, plocha jadra, veľkosť jadra, šírka pera, plocha okna, typ materiálu jadra atď.

O všetkých týchto výpočtoch sa môžete dozvedieť viac pod týmto príspevkom: