Kako transformatori rade

Kako transformatori rade

Prema definiciji danoj u Wikipedija električni transformator je stacionarna oprema koja izmjenjuje električnu snagu kroz nekoliko usko namotanih zavojnica, magnetskom indukcijom.



Stalno mijenjajuća struja u jednom namotu transformatora generira promjenjivi magnetski tok, koji, prema tome, inducira promjenjivu elektromotornu silu tijekom druge zavojnice izgrađene na istoj jezgri.

Osnovni princip rada

Transformatori u osnovi rade prijenosom električne energije između para zavojnica međusobnom indukcijom, bez ovisnosti o bilo kojem obliku izravnog kontakta između dva namota.





Ovaj proces prijenosa električne energije kroz indukciju prvi je put dokazan Faradayevim zakonom indukcije, 1831. godine. Prema tom zakonu inducirani napon na dvije zavojnice stvara se zbog različitog magnetskog toka koji okružuje zavojnicu.

Osnovna funkcija transformatora je pojačati ili smanjiti izmjenični napon / struju, u različitim omjerima prema zahtjevu primjene. Omjeri se određuju prema broju zavoja i omjeru zavoja namota.



Analizirajući idealni transformator

Možemo zamisliti idealan transformator kao hipotetski dizajn koji može biti gotovo bez ikakvih oblika gubitaka. Štoviše, ovaj idealni dizajn može imati svoj primarni i sekundarni namot savršeno povezani jedni s drugima.

Znači, magnetska veza između dva namota odvija se kroz jezgru čija je magnetska propusnost beskonačna i s induktivitetima namota s ukupnom nultom magnetnom silom.

Znamo da u transformatoru primijenjena izmjenična struja u primarnom namotu pokušava pojačati promjenjivi magnetski tok unutar jezgre transformatora, koji također uključuje sekundarni namot okružen oko njega.

Zbog ovog promjenjivog fluksa, elektromotorna sila (EMF) inducira se na sekundarnom namotu kroz elektromagnetsku indukciju. To rezultira stvaranjem fluksa na sekundarnom namotu magnitude koja je suprotna, ali jednaka toku primarnog namota, prema Lenz'zov zakon .

Budući da jezgra nosi beskonačnu magnetsku propusnost, cjelokupni (100%) magnetski tok može se prenijeti preko dva namota.

To podrazumijeva da, kad je primar primarno podvrgnut izvoru izmjenične struje, a opterećenje je spojeno na stezaljke sekundarnog namota, struja teče kroz odgovarajući namot u smjerovima kako je naznačeno na sljedećem dijagramu. U ovom se stanju magnetna sila jezgre neutralizira na nulu.

Slika ljubaznošću: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

U ovom idealnom dizajnu transformatora, budući da je prijenos fluksa kroz primarni i sekundarni namot 100%, prema Faradayevom zakonu inducirani napon na svakom namotu bit će savršeno proporcionalan broju zavoja namota, kao što je prikazano u sljedećem lik:

Izračun omjera okretaja transformatora prema Faradayu

Testni video provjeravajući linearni odnos omjera primarnog / sekundarnog zavoja.

Omjer okretaja i napona

Pokušajmo detaljno razumjeti izračune omjera okretaja:

Neto veličina napona induciranog od primarnog do sekundarnog namota jednostavno se određuje omjerom broja zavoja namotanih na primarnom i sekundarnom dijelu.

Međutim, ovo pravilo vrijedi samo ako je transformator blizu idealnog transformatora.

Idealan transformator je onaj transformator koji ima zanemarive gubitke u obliku efekta kože ili vrtložne struje.

Uzmimo primjer donje slike 1 (za idealan transformator).

Pretpostavimo da se primarni namot sastoji od oko 10 zavoja, dok sekundarni sa samo jednim zavojem. Zbog elektromagnetske indukcije, linije protoka stvorene preko primarnog namota kao odgovor na ulazni izmjenični naizmjenično, naizmjenično se šire i urušavaju, presijecajući 10 zavoja primarnog namota. To rezultira točno proporcionalnom količinom napona induciranom na sekundarnom namotu, ovisno o omjeru zavoja.

Namot koji se isporučuje s AC ulazom postaje primarni namot, dok dopunski namot koji proizvodi magnetsku indukciju iz primarnog izlaza postaje sekundarni namot.

Slika (1)

Budući da sekundarni ima samo jedan zavoj, on doživljava proporcionalni magnetski tok preko svog jednog zavoja u odnosu na 10 zavoja primarnog.

Stoga, budući da je napon primijenjen na primarnoj struji 12 V, tada bi svaki njegov namot bio podvrgnut brojaču EMF od 12/10 = 1,2 V, a to je točno veličina napona koji bi utjecao na pojedinačni zavoj prisutan preko sekundarni odjeljak. To je zato što ima jedan namot koji može izvući samo istu ekvivalentnu količinu indukcije koja može biti dostupna preko jednog okretaja preko primarnog.

Tako bi sekundar s jednim okretajem mogao izvući 1,2V iz primarnog.

Gornje objašnjenje ukazuje da broj zavoja primarnog transformatora linearno odgovara naponu napajanja na njemu i napon se jednostavno dijeli s brojem zavoja.

Dakle, u gore navedenom slučaju, budući da je napon 12V, a broj zavoja 10, neto brojač EMF induciran na svakom od zavoja bio bi 12/10 = 1,2V

Primjer # 2

Sada vizualiziramo donju sliku 2, ona prikazuje sličnu vrstu konfiguracije kao na slici1. očekujte sekundarni koji sada ima 1 dodatni zavoj, to jest 2 broja zavoja.

Nepotrebno je reći da bi sada sekundarni prolazili dvostruko više linija protoka u odnosu na stanje 1 koje je imalo samo jedan zavoj.

Dakle, ovdje bi sekundarni namot očitavao oko 12/10 x 2 = 2,4 V, jer bi na dva zavoja utjecala veličina brojača EMF koji bi mogao biti ekvivalentan na dva namota na primarnoj strani trafoa.

Stoga iz gornje rasprave općenito možemo zaključiti da su u transformatoru odnosi između napona i broja zavoja na primarnom i sekundarnom prilično linearni i proporcionalni.

Brojevi okretaja transformatora

Dakle, izvedena formula za izračunavanje broja zavoja bilo kojeg transformatora može se izraziti kao:

Es / Ep = Ns / Np

gdje,

  • Es = sekundarni napon ,
  • Ep = primarni napon,
  • Ns = Broj sekundarnih zavoja,
  • Np = Broj primarnih zavoja.

Primarni omjer sekundarnog zavoja

Bilo bi zanimljivo primijetiti da gornja formula ukazuje na izravan odnos između omjera sekundarnog prema primarnom naponu i sekundarnog prema primarnom broju zavoja, za koje se navodi da su proporcionalni i jednaki.

Stoga se gornja jednadžba može izraziti i kao:

Ep x Ns = Es x Np

Dalje, možemo izvesti gornju formulu za rješavanje Es i Ep kako je prikazano dolje:

Es = (Ep x Ns) / Np

slično,

Ep = (Es x Np) / Ns

Gornja jednadžba pokazuje da ako su dostupne bilo koje 3 veličine, četvrta veličina može se lako odrediti rješavanjem formule.

Rješavanje praktičnih problema s namotavanjem transformatora

Slučaj iz točke 1: Transformator ima 200 broja zavoja u primarnom dijelu, 50 broja zavoja u sekundarnom i 120 volti spojenih preko primarnog (Ep). Koliki bi mogao biti napon na sekundaru (E)?

Dano:

  • Np = 200 zavoja
  • Ns = 50 zavoja
  • Ep = 120 volti
  • Je =? volti

Odgovor:

Es = EpNs / Np

Zamjena:

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

Es = 30 volti

Slučaj iz točke # 2 : Pretpostavimo da imamo 400 broja zavoja žice u zavojnici željezne jezgre.

Pod pretpostavkom da se zavojnica treba koristiti kao primarni namot transformatora, izračunajte broj zavoja koje je potrebno namotati na zavojnicu da bi se dobio sekundarni namot transformatora kako bi se osigurao sekundarni napon od jednog volta u situaciji kada je primarni napon je 5 volti?

Dano:

  • Np = 400 zavoja
  • Ep = 5 volti
  • Es = 1 volti
  • Ns =? okreće

Odgovor:

EpNs = EsNp

Transponiranje za Ns:

Ns = EsNp / Ep

Zamjena:

Ns = (1V x 400 zavoja) / 5 volti

Ns = 80 zavoja

Imati na umu: Omjer napona (5: 1) jednak je omjeru namota (400: 80). Povremeno vam se kao zamjena za određene vrijednosti dodijeli omjer okreta ili napona.

U ovakvim slučajevima možete jednostavno uzeti bilo koji proizvoljan broj za jedan od napona (ili namota) i iz omjera izračunati drugu alternativnu vrijednost.

Kao ilustraciju, pretpostavimo da je omjer namota dodijeljen kao 6: 1, možete zamisliti količinu zavoja za primarni presjek i shvatiti ekvivalentan sekundarni broj zavoja, koristeći slične omjere poput 60:10, 36: 6, 30: 5 itd.

Transformator u svim gornjim primjerima nosi manji broj zavoja u sekundarnom dijelu u odnosu na primarni dio. Iz tog razloga možete pronaći manju količinu napona na sekundaru trafoa umjesto na primarnoj strani.

Što su Step-up i Step-Down transformatori

Transformator čija je nominalna vrijednost sekundarnog napona niža od nominalne naponske vrijednosti primarne strane naziva se a STEP-DOWN transformator .

Ili, ako je izmjenični ulaz primijenjen na namot koji ima veći broj zavoja, tada transformator djeluje poput silaznog transformatora.

Omjer silaznog transformatora četiri prema jedan upisan je kao 4: 1. Transformator koji uključuje manji broj zavoja na primarnoj strani u odnosu na sekundarnu stranu generirat će veći napon na sekundarnoj strani u odnosu na napon spojen na primarnoj strani.

Transformator koji ima sekundarnu stranu nazivne vrijednosti iznad napona na primarnoj strani naziva se STEP-UP transformator. Ili, ako je izmjenični ulaz primijenjen na namot koji ima manji broj zavoja, transformator djeluje poput pojačanog transformatora.

Omjer pojačanog transformatora jedan prema četiri treba upisati kao 1: 4. Kao što možete vidjeti u dva omjera da se veličina primarnog bočnog namota dosljedno spominje na početku.

Možemo li iskoristiti silazni transformator kao pojačavajući transformator i obratno?

Da definitivno! Svi transformatori rade s istim temeljnim principom kao što je gore opisano. Korištenje pojačanog transformatora kao silaznog transformatora jednostavno znači zamjenu ulaznih napona na njihovom primarnom / sekundarnom namotu.

Na primjer, ako imate uobičajeni pojačavajući transformator za napajanje koji vam daje izlaz 12-0-12V iz 220V ulaznog izmjeničnog napona, možete koristiti isti transformator kao pojačavajući transformator za proizvodnju 220V izlaza iz 12V izmjeničnog napona ulazni.

Klasičan primjer je krug pretvarača , gdje transformatori nemaju ništa posebno u sebi. Svi oni rade pomoću uobičajenih silaznih transformatora spojenih na suprotan način.

Utjecaj opterećenja

Kad god je opterećenje ili električni uređaj spojen na sekundarni namot transformatora, struja ili pojačala prolaze preko sekundarne strane namota zajedno s opterećenjem.

Magnetski tok koji generira struja u sekundarnom namotu djeluje s magnetskim linijama toka koji generiraju pojačala na primarnoj strani. Ovaj sukob između dviju linija fluksa nastaje kao rezultat zajedničke induktivnosti između primarnog i sekundarnog namota.

Međusobni tok

Apsolutni tok u materijalu jezgre transformatora prevladava i na primarnom i na sekundarnom namotu. To je dodatno način na koji električna energija može migrirati iz primarnog namota u sekundarni namot.

Zbog činjenice da ovaj tok ujedinjuje oba namota, fenomen koji je općenito poznat pod nazivom UZAJAMNI PROTOK. Također, induktivitet koji generira taj tok prevladava na oba namota i naziva se međusobna induktivnost.

Na slici (2) dolje prikazan je tok koji stvaraju struje u primarnom i sekundarnom namotu transformatora svaki put kad se struja napajanja uključi u primarnom namotu.

Slika (2)

Kad god je otpor opterećenja povezan s sekundarnim namotom, napon stimuliran u sekundarnom namotaju pokreće struju koja kruži u sekundarnom namotu.

Ova struja stvara prstenaste flukse oko sekundarnog namota (označeno kao isprekidane crte) koji mogu biti alternativa polju fluksa oko primarnog (Lenzov zakon).

Slijedom toga, tok oko sekundarnog namota poništava većinu toka oko primarnog namota.

S manjom količinom fluksa koji okružuje primarni namot, smanjuje se obrnuti emf i usisava se više pojačala iz napajanja. Dopunska struja u primarnom namotu oslobađa dodatne vodove fluksa, uglavnom uspostavljajući početnu količinu apsolutnih linija fluksa.

OBRATI I TRENUTNI RAZMJERI

Količina strujnih vodova proizvedenih u trafo jezgri proporcionalna je sili magnetiziranja

(U AMPERE-OBRATIMA) primarnog i sekundarnog namota.

Okretni amper (I x N) ukazuje na magnetsku pogonsku silu; može se shvatiti da je to magnetna sila koju stvara jedan amper struje koja radi u zavojnici od 1 okreta.

Tok dostupan u jezgri transformatora okružuje primarni i sekundarni namot.

S obzirom na to da je tok jednak za svaki namot, zavojnice ampera u svakom, primarnom i sekundarnom namotu trebaju uvijek biti iste.

Zbog tog razloga:

IpNp = IsNs

Gdje:

IpNp = amper / zavoj u primarnom namotu
IsNs - amper / zavoj u sekundarnom namotu

Dijeljenjem obje strane izraza sa
Ip , dobivamo:
Np / Ns = Je / Ip

od: Es / Ep = Ns / Np

Zatim: Ep / Es = Np / Ns

Također: Ep / Es = Je / Ip

gdje

  • Ep = napon primijenjen na primarnom u voltima
  • Es = napon na sekundaru u voltima
  • Ip = struja u primarnom pojačalu
  • Is = struja u sekundaru u pojačalima

Primijetite da jednadžbe pokazuju da je omjer ampera inverzan namotu ili omjeru zavoja, kao i omjer napona.

To podrazumijeva, da transformator koji ima manji broj zavoja na sekundarnoj strani u usporedbi s primarnom može smanjiti napon, ali bi pojačao struju. Na primjer:

Pretpostavimo da transformator ima omjer napona 6: 1.

Pokušajte pronaći struju ili pojačala na sekundarnoj strani ako je struja ili pojačalo na primarnoj strani 200 miliampera.

Pretpostavimo

Ep = 6V (kao primjer)
Je = 1V
Ip = 200mA ili 0,2Amps
Je =?

Odgovor:

Ep / Es = Je / Ip

Transponiranje za Is:

Je = EpIp / Es

Zamjena:

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

Gornji scenarij rješava da, unatoč činjenici da je napon na sekundarnom namotu jedna šestina od napona na primarnom namotu, pojačala u sekundarnom namotu su 6 puta veća od pojačala u primarnom namotu.

Gore navedene jednadžbe vrlo bi se dobro mogle promatrati iz alternativne perspektive.

Omjer namota označava zbroj kroz koji transformator pojačava ili pojačava ili smanjuje napon spojen na primarnu stranu.

Samo da ilustriramo, pretpostavimo da ako sekundarni namot transformatora ima dvostruko veći broj zavoja od primarnog namota, napon stimuliran na sekundarnoj strani vjerojatno će biti dvostruko veći od napona na primarnom namotu.

U slučaju da sekundarni namot nosi polovicu broja zavoja primarne strane, napon na sekundarnoj strani bit će jednak polovici napona na primarnom namotu.

Nakon toga, omjer namota, zajedno s omjerom pojačala transformatora, sadrži inverznu povezanost.

Kao rezultat, pojačavajući transformator u omjeru 1: 2 mogao bi imati polovinu pojačala na sekundarnoj strani u usporedbi s primarnom stranom. Stezni transformator 2: 1 može imati dvostruko pojačanje u sekundarnom namotu u odnosu na primarnu stranu.

Ilustracija: Transformator s omjerom namota 1:12 posjeduje 3 ampera struje na sekundarnoj strani. Doznati veličinu pojačala u primarnom namotu?

Dano:

Np = 1 zavoj (na primjer)
Ns = 12 zavoja
Je = 3Amp
Lp =?

Odgovor:

Np / Ns = Je / Ip

Zamjena:

Ip = (12 okretaja x 3 Amp) / 1 okretanje

Ip = 36A

Izračunavanje međusobne induktivnosti

Međusobna indukcija je postupak u kojem jedan namot prolazi kroz EMF indukciju zbog brzine promjene struje susjednog namota što dovodi do induktivne sprege između namota.

Drugim riječima Međusobna induktivnost je omjer inducirane emf preko jednog namota i brzine promjene struje na drugom namotu, izražen u sljedećoj formuli:

M = emf / di (t) / dt

Faziranje u transformatorima:

Obično, kada ispitujemo transformatore, većina nas vjeruje da su napon i struje primarnog i sekundarnog namota međusobno u fazi. Međutim, to možda nije uvijek istina. U transformatorima se odnos između napona, faznog kuta struje na primarnom i sekundarnom ovisi o tome kako su ti namoti okrenuti oko jezgre. Ovisi o tome jesu li obje u smjeru suprotnom od kazaljke na satu ili u smjeru kazaljke na satu, ili je jedan namot okrenut u smjeru kazaljke na satu, dok je drugi namotaj u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.

Pozovimo se na sljedeće dijagrame kako bismo razumjeli kako orijentacija namota utječe na fazni kut:

U gornjem primjeru smjerovi namota izgledaju identično, tj. Primarni i sekundarni namot okrenuti su u smjeru kazaljke na satu. Zbog ove identične orijentacije, fazni kut izlazne struje i napona identičan je faznom kutu ulazne struje i napona.

U drugom primjeru gore, može se vidjeti smjer namota transformatora namotan suprotne orijentacije. Kao što se vidi, čini se da je primar primarni u smjeru kazaljke na satu, dok je sekundar namotan u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Zbog ove suprotne orijentacije namota, fazni kut između dva namota udaljen je 180 stupnjeva, a inducirani sekundarni izlaz pokazuje izvanfazni odziv struje i napona.

Oznaka točkicama i Konvencija o točkama

Kako bi se izbjegle zabune, oznaka točke ili konvencija točke koriste se za predstavljanje orijentacije namotaja transformatora. To omogućava korisniku da razumije ulazne i izlazne specifikacije kutova faze, bez obzira jesu li primarni i sekundarni namot u fazi ili izvan faze.

Konvencija o točkama provodi se oznakama točkica preko početne točke namota, pokazujući jesu li namoti međusobno u fazi ili izvan faze.

Sljedeća shema transformatora označava konvencionalnu točku i označava da su primarni i sekundarni transformator međusobno u fazi.

Konvencija s točkama koja prikazuje primarni i sekundarni namot transformatora su u fazi

Oznaka točaka korištena na donjoj ilustraciji prikazuje DOT-ove smještene preko suprotnih točaka primarnog i sekundarnog namota. To ukazuje na to da orijentacija namota obje strane nije jednaka, pa će fazni kut na dva namota biti 180 stupnjeva izvan faze kada se na jedan od namota primijeni izmjenični ulaz.

Gubici u stvarnom transformatoru

Izračuni i formule uzeti u obzir u gornjim odlomcima temeljili su se na idealnom transformatoru. Međutim, u stvarnom svijetu i za pravi transformator scenarij može biti puno drugačiji.

Otkrit ćete da će se u idealnom dizajnu zanemariti sljedeći temeljni linearni faktori stvarnih transformatora:

(a) Mnoge vrste gubitaka jezgre, zajedno poznate kao gubici struje magnetiziranja, koji mogu uključivati ​​sljedeće vrste gubitaka:

  • Gubici kod histereze: to je uzrokovano nelinearnim utjecajima magnetskog toka na jezgru transformatora.
  • Gubici vrtložnih struja: Ovaj gubitak nastaje zbog pojave koja se naziva džul zagrijavanje u jezgri transformatora. Proporcionalno je kvadratu napona koji je primijenjen na primar transformatora.

(b) Za razliku od idealnog transformatora, otpor namota u pravom transformatoru nikada ne može imati nulti otpor. Što znači da će namot s vremenom imati određeni otpor i induktivitet.

  • Gubici u Joulu: Kao što je gore objašnjeno, otpor stvoren na stezaljkama namota rađa Joule gubitke.
  • Tok curenja: Znamo da transformatori uvelike ovise o magnetskoj indukciji preko svog namota. Međutim, budući da su namoti izgrađeni na zajedničkoj jednoj jezgri, magnetski tok pokazuje tendenciju curenja preko namotaja kroz jezgru. To dovodi do impedancije koja se naziva primarna / sekundarna reaktivna impedancija, što doprinosi gubicima transformatora.

(c) Budući da je transformator također vrsta induktora, na njega utječu i pojave poput parazitske kapacitivnosti i samorezonance, zbog raspodjele električnog polja. Ovi parazitski kapaciteti obično mogu biti u 3 različita oblika kako je navedeno u nastavku:

  • Kapacitet koji nastaje između zavoja jedan iznad drugog unutar jednog sloja
  • Kapacitet stvoren na dva ili više susjednih slojeva
  • Kapacitet stvoren između jezgre transformatora i sloja (a) namota koji leži uz jezgru

Zaključak

Iz gornje rasprave možemo shvatiti da u praktičnim primjenama za izračunavanje transformatora, posebno transformator od željezne jezgre, možda neće biti tako jednostavan kao što bi bio idealan transformator.

Da bismo dobili najtočnije rezultate za podatke o namatanju, možda ćemo morati uzeti u obzir mnoge čimbenike kao što su: gustoća protoka, površina jezgre, veličina jezgre, širina jezika, površina prozora, vrsta materijala jezgre itd.

Možete saznati više o svim tim izračunima ispod ovog posta:




Prethodno: Ultrazvučni krug indikatora razine goriva Dalje: Usporedni krugovi koji koriste IC 741, IC 311, IC 339