Hogyan működnek a transzformátorok

Alatt megadott meghatározás szerint Wikipédia az elektromos transzformátor egy álló berendezés, amely mágneses indukció útján cserél elektromos áramot néhány szorosan tekercselt tekercsen.

A transzformátor egyik tekercsében állandóan változó áram változó mágneses fluxust generál, amely ennek következtében változó elektromotoros erőt vált ki ugyanazon mag felett felépített második tekercs felett.

Alapvető működési elv

A transzformátorok alapvetően úgy működnek, hogy kölcsönös indukció útján átadják az elektromos energiát egy tekercspár között, anélkül, hogy a két tekercs között bármilyen közvetlen kapcsolat állna fenn.

Ezt a villamos energia indukció útján történő átvitelének folyamatát először Faraday indukciós törvénye bizonyította, 1831-ben. E törvény szerint a tekercset körülvevő változó mágneses fluxus miatt a tekercsen keresztül indukált feszültség jön létre.

A transzformátor alapvető funkciója váltakozó feszültség / áram fokozása vagy csökkentése, különböző arányokban, az alkalmazás követelményeinek megfelelően. Az arányokat a tekercsek kanyarodásának száma és fordulatszáma határozza meg.

Ideális transzformátor elemzése

Elképzelhetünk egy ideális transzformátort egy hipotetikus konstrukciónak, amely gyakorlatilag bármilyen veszteség nélküli lehet. Sőt, ennek az ideális kialakításnak az elsődleges és a másodlagos tekercselése tökéletesen összekapcsolódhat egymással.

Ez azt jelenti, hogy a két tekercs közötti mágneses kötés egy olyan magon keresztül történik, amelynek mágneses permeabilitása végtelen, és tekercses induktivitással rendelkezik egy teljes nulla magnetomotoros erőnél.

Tudjuk, hogy egy transzformátorban az alkalmazott primer tekercsben alkalmazott váltakozó áram változó mágneses fluxust próbál érvényesíteni a transzformátor magjában, amely magában foglalja a körülötte körülvett szekunder tekercset is.

Ennek a változó fluxusnak köszönhetően elektromágneses indukció révén elektromotoros erő (EMF) indukálódik a szekunder tekercsen. Ennek eredményeként a másodlagos tekercsen fluxus keletkezik, amelynek nagysága ellentétes, de megegyezik az elsődleges tekercselésével Lenz'z-törvény .

Mivel a mag végtelen mágneses permeabilitást hordoz, a teljes (100%) mágneses fluxus átjuthat a két tekercsen.

Ez azt jelenti, hogy amikor a primer áramforrásnak van kitéve, és a szekunder tekercselés sorkapcsaihoz terhelés van csatlakoztatva, az áram a megfelelő tekercsen keresztül áramlik át az alábbi ábra szerint. Ebben az állapotban a magmotoros erőt nullára semlegesítik.

Kép jóvoltából: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

Ebben az ideális transzformátor-konstrukcióban, mivel a fluxus átadása az elsődleges és a másodlagos tekercsen 100%, Faraday törvénye szerint az indukált feszültség mindegyik tekercsen tökéletesen arányos lesz a tekercs fordulatainak számával, amint az az alábbiakban látható ábra:

Tesztvideó az elsődleges / másodlagos fordulatszám közötti lineáris kapcsolat ellenőrzésével.

MEGFORDULÁSOK ÉS FESZÜLTSÉGI ARÁNYOK

Próbáljuk megérteni a fordulatszám-számításokat részletesen:

Az elsődleges és a másodlagos tekercs által kiváltott feszültség nettó nagyságát egyszerűen az elsődleges és a másodlagos szakaszon tekercselt fordulatok számának aránya határozza meg.

Ez a szabály azonban csak akkor érvényes, ha a transzformátor közel van egy ideális transzformátorhoz.

Ideális transzformátor az a transzformátor, amelynek elhanyagolható veszteségei vannak bőrhatás vagy örvényáram formájában.

Vegyük az alábbi 1. ábra példáját (ideális transzformátor esetén).

Tegyük fel, hogy az elsődleges tekercs körülbelül 10 fordulatból áll, míg a másodlagos csak egyetlen fordulattal. Az elektromágneses indukció következtében a primer tekercsen az AC bemenetre válaszul keletkező fluxus vonalak váltakozva tágulnak és omlanak össze, átvágva az elsődleges tekercs 10 fordulatát. Ez azt eredményezi, hogy a szekunder tekercsen pontosan arányos feszültség keletkezik a fordulatszámtól függően.

Az AC bemenettel ellátott tekercs lesz az elsődleges tekercs, míg az a kiegészítő tekercs, amely az elsődleges mágneses indukció révén hozza létre a kimenetet, másodlagos tekercssé válik.

1.ábra)

Mivel a szekundernek csak egyetlen fordulata van, arányos mágneses fluxust tapasztal egyetlen fordulata alatt az elsődleges 10 fordulatához képest.

Ezért, mivel a primeren alkalmazott feszültség 12 V, akkor mindegyik tekercsét 12/10 = 1,2 V számláló EMF-nek vetnék alá, és pontosan ez a feszültség nagysága befolyásolná a keresztirányú egyetlen fordulatot a másodlagos szakasz. Ennek oka az, hogy egyetlen tekercsel rendelkezik, amely csak ugyanolyan ekvivalens indukció kinyerésére képes, amely elérhető lehet az elsődleges fordulat alatt.

Így a másodlagos egyetlen fordulattal képes lenne kivezetni az 1,2 V-ot az elsődlegesből.

A fenti magyarázat azt jelzi, hogy az elsődleges transzformátor fordulatainak száma lineárisan megegyezik a rajta lévő tápfeszültséggel, és a feszültség egyszerűen eloszlik a fordulatok számával.

Tehát a fenti esetben, mivel a feszültség 12 V, és a fordulatok száma 10, az egyes fordulatokon indukált nettó számláló EMF 12/10 = 1,2 V lenne.

2. példa

Most nézzük meg az alábbi 2. ábrát, hasonló típusú konfigurációt mutat, mint az 1. ábrán. elvárjuk azt a másodlagosat, amelynek most 1 további fordulata van, vagyis 2 fordulatszámot.

Mondanom sem kell, hogy most a másodlagos kétszer annyi fluxusvonalon megy keresztül, mint az 1. ábra szerinti állapot, amelynek csak egyetlen fordulata volt.

Tehát itt a szekunder tekercs 12/10 x 2 = 2,4 V körüli értéket mutat, mert a két fordulatot befolyásolja a számláló EMF nagysága, amely ekvivalens lehet a trafo elsődleges oldalán lévő két tekercsen.

Ezért a fenti vita alapján általában arra a következtetésre juthatunk, hogy egy transzformátorban az elsődleges és a másodlagos feszültség és a fordulatok száma közötti kapcsolat meglehetősen lineáris és arányos.

Transzformátor fordulási számok

Így a transzformátorok fordulatszámának kiszámításához használt származtatott képlet a következőképpen fejezhető ki:

Es / Ep = Ns / Np

hol,

• Es = szekunder feszültség ,
• Ep = elsődleges feszültség,
• Ns = a másodlagos fordulatok száma,
• Np = Az elsődleges fordulatok száma.

Elsődleges másodlagos fordulatszám

Érdekes lenne megjegyezni, hogy a fenti képlet egyenes kapcsolatot mutat a másodlagos és az elsődleges feszültség, valamint a másodlagos és az elsődleges fordulatok aránya között, amelyek arányosak és egyenlőek.

Ezért a fenti egyenlet a következőképpen is kifejezhető:

Ep x Ns = Es x Np

Ezután levezethetjük a fenti képletet az Es és az Ep megoldására az alábbiak szerint:

Es = (Ep x Ns) / Np

hasonlóképpen,

Ep = (Es x Np) / Ns

A fenti egyenlet azt mutatja, hogy ha rendelkezésre áll bármely 3 nagyságrend, akkor a képlet megoldásával a negyedik nagyságrend könnyen meghatározható.

Praktikus transzformátor tekercselési problémák megoldása

Eset az 1. pontban: A transzformátor 200 fordulatszámmal rendelkezik az elsődleges szakaszban, 50 fordulatszám a szekunderben és 120 volt a primer (Ep) keresztmetszetén. Mekkora lehet a szekunder feszültség (E)?

Adott:

• Np = 200 fordulat
• Ns = 50 fordulat
• Ep = 120 volt
• Van =? volt

Válasz:

Es = EpNs / Np

Helyettesítés:

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

Es = 30 volt

Eset a 2. pontban : Tegyük fel, hogy egy vasmag-tekercsben 400 huzalfordulat van.

Ha feltételezzük, hogy tekercset kell használni egy transzformátor primer tekercseként, számítsa ki a tekercsre tekerni szükséges fordulatok számát a transzformátor szekunder tekercsének megszerzéséhez, hogy egy voltos szekunder feszültséget biztosítson, amikor az elsődleges feszültség 5 volt?

Adott:

• Np = 400 fordulat
• Ep = 5 volt
• Es = 1 volt
• Ns =? fordul

Válasz:

EpNs = EsNp

Átültetés N-ekre:

Ns = EsNp / Ep

Helyettesítés:

Ns = (1 V x 400 fordulat) / 5 volt

Ns = 80 fordulat

Észben tart: A feszültség aránya (5: 1) egyenértékű a tekercselési aránygal (400: 80). Előfordul, hogy bizonyos értékek helyettesítéseként fordulási vagy feszültségarányt rendel hozzá.

Ilyen esetekben egyszerűen feltételezhet bármilyen tetszőleges számot az egyik feszültség (vagy tekercselés) számára, és meghatározhatja a másik alternatív értéket az arányból.

Példaként tegyük fel, hogy a tekercselési arány 6: 1-nek van rendelve, elképzelheti az elsődleges szakasz fordulatszámát és kitalálhatja az ekvivalens másodlagos fordulatok számát hasonló arányokkal, például 60:10, 36: 6, 30: 5 stb.

A transzformátor a fenti példák mindegyikében kevesebb fordulatot hajt a szekunder szakaszban, mint az elsődleges szakasz. Emiatt kisebb mennyiségű feszültséget találhat a trafo szekunder oldalán, mint az elsődleges oldalon.

Mik azok a lépcsőzetes és lefelé transzformátorok

Az elsődleges oldali feszültségnél kisebb másodlagos oldali feszültségű transzformátort a-nak nevezzük LÉPÉS-transzformátor .

Vagy ha a váltakozó áramú bemenetet a nagyobb fordulatokkal rendelkező tekercsre vezetjük, akkor a transzformátor lépcsőzetes transzformátorként működik.

A négy-egy lépcsőzetes transzformátor aránya 4: 1. Az a transzformátor, amely kevesebb fordulatot tartalmaz az elsődleges oldalon, mint a szekunder oldal, nagyobb feszültséget generál a szekunder oldalon, mint az elsődleges oldalon összekapcsolt feszültség.

Egy olyan transzformátort, amelynek másodlagos oldala az elsődleges oldalon lévő feszültség felett van, STEP-UP transzformátornak nevezzük. Vagy alternatív megoldásként, ha az AC bemenetet egy tekercsre alkalmazzák, amelynek kisebb a fordulatszáma, akkor a transzformátor úgy működik, mint egy fokozatos transzformátor.

Az egy-négy fokozatú transzformátor arányát 1: 4-nek kell felírni. Amint a két arányban láthatja, hogy az elsődleges oldal tekercselés nagyságát következetesen említik az elején.

Használhatunk lépcsős transzformátort fokozatos transzformátorként és fordítva?

Igen határozottan! Valamennyi transzformátor ugyanazzal az alapelvvel működik, mint fent. A fokozatos transzformátor használata csökkentett transzformátorként egyszerűen azt jelenti, hogy a bemeneti feszültségeket felcserélik az elsődleges / szekunder tekercsükön.

Például, ha van egy közönséges tápfeszültségű transzformátor, amely 12-0-12V kimenetet biztosít a 220V AC váltakozó áramú bemenetről, akkor ugyanazt a transzformátort használhatja fokozatos transzformátorként is, hogy 220V kimenetet állítson elő egy 12V AC-ból. bemenet.

Klasszikus példa az inverter áramkör , ahol a transzformátorokban nincs semmi különös. Mindegyikük a szokásos, ellenkezőleg csatlakoztatott transzformátorok segítségével működik.

A terhelés hatása

Amikor egy teher vagy egy elektromos eszköz fel van kötve egy transzformátor szekunder tekercsén, áram vagy amper fut a tekercs szekunder oldalán a terheléssel együtt.

A szekunder tekercsben áram által generált mágneses fluxus kölcsönhatásba lép az elsődleges oldalon lévő erősítők által generált fluxus mágneses vonalaival. Ez a két fluxusvonal közötti konfliktus az elsődleges és a másodlagos tekercs közötti közös induktivitás eredményeként jön létre.

Kölcsönös fluxus

A transzformátor maganyagában az abszolút fluxus elterjedt mind a primer, mind a szekunder tekercsben. Ezenkívül ez egy olyan út, amelyen keresztül az elektromos energia képes a primer tekercsből a szekunder tekercsbe vándorolni.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy ez a fluxus egyesíti mindkét tekercset, a jelenség általában MUTUAL FLUX néven ismert. Továbbá az ezt a fluxust generáló induktivitás mindkét tekercsben elterjedt, és kölcsönös induktivitásnak nevezik.

Az alábbi 2. ábra azt a fluxust mutatja, amelyet a transzformátor primer és szekunder tekercsében lévő áramok hoznak létre, amikor a primer tekercsben az áramellátás bekapcsol.

2. ábra)

Valahányszor a terhelési ellenállás bekapcsolódik a szekunder tekercsbe, a szekunder tekercsbe stimulált feszültség kiváltja az áramot a szekunder tekercsben.

Ez az áram fluxusgyűrűket állít elő a szekunder tekercs körül (szaggatott vonalakkal jelölve), amelyek alternatívaként szolgálhatnak a primer körüli fluxusmező számára (Lenz-törvény).

Következésképpen a szekunder tekercs körüli fluxus törli a primer tekercs körüli fluxus nagy részét.

Ha az elsődleges tekercset kisebb mennyiségű fluxus veszi körül, a fordított emf levágásra kerül, és több erősítő szívódik ki az ellátásból. A primer tekercsben lévő kiegészítő áram további fluxusvonalakat szabadít fel, nagyjából helyreállítva az abszolút fluxus vonalak kezdeti mennyiségét.

FOLYAMATOK ÉS JELENLEGI ARÁNYZATOK

A trafo magban keletkező fluxusvonalak mennyisége arányos a mágnesező erővel

(AMPERE-FORGALOMBAN) az elsődleges és a másodlagos tekercsek.

Az amperfordulat (I x N) a magneto mozgási erőt jelzi, felfogható az a magnetomotoros erő, amelyet az 1 amper tekercsben futó áram egy ampere hoz létre.

A transzformátor magjában elérhető fluxus körülveszi az elsődleges és a másodlagos tekercset.

Tekintettel arra, hogy a fluxus minden tekercsben azonos, az elsődleges és a másodlagos tekercsek amperfordulatainak mindig ugyanazoknak kell lenniük.

Amiatt, abból az okból:

IpNp = IsNs

Hol:

IpNp = amper / fordulat az elsődleges tekercsben
IsNs - amper / fordulatok a másodlagos tekercsben

Úgy, hogy a kifejezés mindkét oldalát elosztjuk
Ip , kapunk:
Np / Ns = Is / Ip

mivel: Es / Ep = Ns / Np

Azután: Ep / Es = Np / Ns

Is: Ep / Es = Is / Ip

hol

• Ep = az elsődleges feszültség voltban kifejezve
• Es = a szekunder feszültsége voltban
• Ip = áram az elsődleges erősítőben
• Is = áram a szekunderben amperben

Figyelje meg, hogy az egyenletek azt jelzik, hogy az amper arány a tekercs fordítottja, vagy a fordulatszám, valamint a feszültség aránya.

Ez azt jelenti, hogy a transzformátor, amelynek kevesebb fordulata van a szekunder oldalon, mint az elsődleges, csökkentheti a feszültséget, de növeli az áramot. Például:

Tegyük fel, hogy egy transzformátor 6: 1 feszültségaránnyal rendelkezik.

Próbálja meg megtalálni az áramot vagy az ampert a szekunder oldalon, ha az elsődleges oldalon az áram vagy az erősítő 200 milliamper.

Tegyük fel

Ep = 6V (például)
= 1 V
Ip = 200 mA vagy 0,2 A
Van =?

Válasz:

Ep / Es = Is / Ip

Átültetése az Is számára:

Is = EpIp / Es

Helyettesítés:

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

A fenti forgatókönyv azzal foglalkozik, hogy annak ellenére, hogy a szekunder tekercsen a feszültség egyhatoda a primer tekercsen, a szekunder tekercsben lévő amperek hatszorosa az elsődleges tekercsben mért erősítőknek.

A fenti egyenleteket nagyon jól lehet alternatív szempontból szemlélni.

A tekercselési arány azt az összeget jelenti, amelyen keresztül a transzformátor növeli, növeli vagy csökkenti az elsődleges oldalra kapcsolt feszültséget.

Csak szemléltetésképpen tegyük fel, hogy ha a transzformátor szekunder tekercsének kétszer annyi fordulata van, mint az elsődleges tekercsnek, akkor a szekunder oldalra stimulált feszültség valószínűleg kétszerese lesz a primer tekercsen átmenő feszültségnek.

Abban az esetben, ha a szekunder tekercs az elsődleges oldal fordulatok számának felét hajtja végre, akkor a szekunder oldalon lévő feszültség fele lesz a primer tekercsen átmenő feszültségnek.

Ennek ellenére a transzformátor tekercselési aránya és az erősítő aránya fordított asszociációt tartalmaz.

Ennek eredményeként egy 1: 2 fokozatú transzformátornak az erősítő fele lehet a szekunder oldalon az elsődleges oldalhoz képest. A 2: 1 arányú leszabályozó transzformátornak az elsődleges oldalához képest kétszerese lehet az erősítő a szekunder tekercsben.

Ábra: Az 1:12 tekercselési arányú transzformátor 3 amper árammal rendelkezik a szekunder oldalon. Megtudja az erősítők nagyságát az elsődleges tekercsben?

Adott:

Np = 1 fordulat (például)
Ns = 12 fordulat
= 3Amp
Lp =?

Válasz:

Np / Ns = Is / Ip

Helyettesítés:

Ip = (12 fordulat x 3 Amp) / 1 fordulat

Ip = 36A

A kölcsönös induktivitás kiszámítása

A kölcsönös indukció olyan folyamat, amelyben az egyik tekercs egy EMF indukción megy keresztül a szomszédos tekercs változásáramának következtében, amely a tekercselés közötti induktív csatoláshoz vezet.

Más szavakkal Kölcsönös induktivitás az egyik tekercsben indukált emf és a másik tekercs áramának változásának aránya, a következő képlettel kifejezve:

M = emf / di (t) / dt

A transzformátorok bevezetése:

Normális esetben, amikor a transzformátorokat vizsgáljuk, a legtöbben úgy gondoljuk, hogy az elsődleges és a szekunder tekercs feszültsége és áramai fázisban vannak egymással. Ez azonban nem biztos, hogy mindig igaz. A transzformátorokban a feszültség, az áramfázis szöge közötti kapcsolat az elsődleges és a szekunder oldalon attól függ, hogy ezek a tekercsek hogyan fordulnak a mag körül. Attól függ, hogy mindkettő az óramutató járásával ellentétes vagy az óramutató járásával megegyező irányban halad, vagy lehet, hogy az egyik tekercs az óramutató járásával megegyező irányba, míg a másik az óramutató járásával ellentétes irányba van tekerve.

Nézzük meg a következő diagramokat, hogy megértsük, hogy a tekercselés iránya hogyan befolyásolja a fázisszöget:

A fenti példában a tekercselési irányok azonosak, vagyis mind az elsődleges, mind a másodlagos tekercselés az óramutató járásával megegyező irányba fordul. Ezen azonos orientáció miatt a kimeneti áram és feszültség fázisszöge megegyezik a bemenő áram és feszültség fázisszögével.

A fenti második példában a transzformátor tekercselési iránya ellentétes irányú tekercseléssel látható. Amint látható, az elsődleges az óramutató járásával megegyező irányúnak tűnik, míg a másodlagos az óramutató járásával ellentétes irányba van tekerve. Ennek az ellentétes tekercselési orientációnak köszönhetően a két tekercs közötti fázisszög 180 fokos távolságra van egymástól, és az indukált szekunder kimenet a fázisáramtól és a feszültségtől való eltérést mutatja.

Dot jelölés és Dot egyezmény

A félreértések elkerülése érdekében a Dot jelölést vagy a Dot konvenciót alkalmazzák a transzformátor tekercselési helyzetének ábrázolására. Ez lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy megértse a bemeneti és kimeneti fázisszög specifikációit, függetlenül attól, hogy az elsődleges és a másodlagos tekercs fázisban van-e vagy fázison kívül van.

A pontegyezményt pontjelekkel hajtjuk végre a tekercselés kezdőpontján, jelezve, hogy a tekercselés fázisban van-e vagy nem fázisban van-e egymással.

Az alábbi transzformátor vázlata pontegyezményes jelölést hordoz, és azt jelzi, hogy a transzformátor primer és szekunder fázisa van egymással.

Az alábbi ábrán használt pontjelölés az elsődleges és a másodlagos tekercs ellentétes pontjain elhelyezett DOT-kat mutatja. Ez azt jelzi, hogy a két oldal tekercselési orientációja nem azonos, és ezért a két tekercsen átmenő fázisszög 180 fokos lesz a fázistól, amikor az egyik tekercsre váltakozó áramú bemenetet alkalmaznak.

Veszteségek egy valódi transzformátorban

A fenti bekezdésekben figyelembe vett számítások és képletek ideális transzformátoron alapultak. A valós világban és egy valódi transzformátor esetében azonban a forgatókönyv sokkal más lehet.

Megállapítja, hogy ideális tervezésnél a valós transzformátorok következő alapvető lineáris tényezőit figyelmen kívül hagyják:

a) Sokféle magveszteség, együttesen mágneses áramveszteségként ismert, amely a következő típusú veszteségeket foglalhatja magában:

• Hiszterézis veszteségek: ezt a mágneses fluxus nemlineáris hatásai okozzák a transzformátor magjára.
• Örvényáram-veszteségek: Ez a veszteség a joule fűtésnek nevezett jelenség miatt keletkezik a transzformátor magjában. Arányos a transzformátor primerjén alkalmazott feszültség négyzetével.

(b) Az ideális transzformátorral ellentétben a valódi transzformátor tekercsének ellenállása soha nem lehet nulla ellenállással. Ez azt jelenti, hogy a tekercselésnek végül van némi ellenállása és induktivitása.

• Joule veszteségek: Amint azt a fentiekben kifejtettük, a tekercselő kapcsokon keletkező ellenállás Joule veszteségeket okoz.
• Szivárgási fluxus: Tudjuk, hogy a transzformátorok nagymértékben függenek a mágneses indukciótól a tekercselésükön keresztül. Mivel azonban a tekercselés egy közös magra épül, a mágneses fluxus hajlamos a szivárgásra a tekercsen keresztül a magon keresztül. Ez egy primer / másodlagos reaktív impedancia nevű impedanciát eredményez, amely hozzájárul a transzformátor veszteségeihez.

(c) Mivel a transzformátor szintén egyfajta induktor, az elektromos tér eloszlása ​​miatt olyan jelenségek is érintik, mint a parazita kapacitás és az önrezonancia. Ezek a parazita kapacitások általában három különböző formában lehetnek, az alábbiak szerint:

• A fordulatok között generált kapacitás egyetlen réteg belsejében
• Két vagy több szomszédos rétegben létrehozott kapacitás
• A transzformátor mag és a maggal szomszédos tekercselő réteg (ek) között létrejött kapacitás

Következtetés

A fenti megbeszélésből megérthetjük, hogy a gyakorlati alkalmazásokban a transzformátor, különösen a vasmagú transzformátor kiszámítása nem lehet olyan egyszerű, mint egy ideális transzformátor lenne.

A tekercselési adatok legpontosabb eredményeinek eléréséhez számos tényezőt figyelembe kell vennünk, például: fluxus sűrűsége, magterület, magméret, nyelv szélessége, ablakterület, maganyag típusa stb.

Tudjon meg többet ezekről a számításokról e bejegyzés alatt: