Основи на трансформатора

Трансформаторите обикновено са устройства, способни да преобразуват количества от една стойност в друга. За тази статия ще се съсредоточим върху трансформатора на напрежение, който е статичен електрически компонент, способен да преобразува променливо напрежение от една стойност в друга, без да променя честотата, като използва принципите на електромагнитната индукция.

В една от предишните ни статии за променливия ток споменахме колко важен е трансформаторът в историята на променливия ток. Това беше основният фактор, който направи променливия ток възможен. Първоначално, когато се използват системи, базирани на постоянен ток, те не могат да се прехвърлят на дълги разстояния поради загуба на мощност в линиите с увеличаване на разстоянието (дължината), което означава, че електроцентралите с постоянен ток трябва да бъдат поставени навсякъде, поради което основната цел на AC е за решаване на проблема с трансмисията и без трансформатора това не би било възможно, тъй като загубите все още биха съществували дори при променлив ток.

С трансформатора на място, AC може да се предава от генериращите станции с много високо напрежение, но нисък ток, което елиминира загубите в линията (проводниците) поради стойността на I ² R (което дава загуба на мощност в линията). След това трансформаторът се използва за преобразуване на високо напрежение, енергия с нисък ток в енергия с ниско напрежение, висока сила на тока за окончателно разпределение в общността, без промяна на честотата и при същата мощност, която се предава от генериращата станция (P = IV).

За да разберете по-добре трансформатора на напрежението, най-добре е да използвате най-опростения му модел, който е еднофазният трансформатор.

Еднофазен трансформатор

Еднофазният трансформатор е най-често срещаният (по отношение на използваните числа) вид трансформатори на напрежение. Той присъства в повечето от “включените” уреди, които използваме у дома и навсякъде другаде.

Използва се за описване на принципа на работа, конструкцията и т.н. на трансформатор, тъй като другите трансформатори са като вариант или модификация на еднофазния трансформатор. Например, някои хора се отнасят до трифазния трансформатор като съставен от 3 еднофазни трансформатора.

Еднофазният трансформатор се състои от две намотки / намотка (първичната и вторичната намотка). Тези две намотки са подредени по такъв начин, че между тях няма електрическа връзка, така че те са навити около общо магнитно желязо, обикновено наричано сърцевина на трансформатора, така че двете намотки имат само магнитна връзка помежду си. Това гарантира, че мощността се предава само чрез електромагнитна индукция и също така прави трансформаторите полезни за изолиращи връзки.

Оперативен принцип на трансформатора:

Както бе споменато по-рано, трансформаторът се състои от две намотки; на първичната и вторичната намотка. Първичната намотка винаги представлява входа към трансформатора, докато вторичната намотка - изхода от трансформатора.

Два основни ефекта определят работата на трансформатора:

В Първата е, че, за ток, преминаващ през проводник създава магнитно поле около проводник. Величината на полученото магнитно поле винаги е право пропорционална на количеството ток, преминаващ през проводника. Величината на магнитното поле се увеличава, ако проводникът е навит във форма, подобна на намотка. Това е принципът, с който магнетизмът се индуцира от първичната намотка. Прилагайки напрежение към първичната намотка, тя индуцира магнитно поле около сърцевината на трансформатора.

На второ действие, което, когато се комбинира с първия обяснява оперативната принципа на трансформатора, който се основава на факта, че, ако един проводник се навива около парче магнит и магнитните промени поле, промяната в магнитно поле ще предизвика ток в проводникът, величината на който ще се определя от броя на завъртанията на проводниковата намотка. Това е принципът, с който вторичната намотка се захранва.

Когато напрежението се прилага към първичната намотка, тя създава магнитно поле около сърцевината, силата зависи от приложения ток. По този начин създаденото магнитно поле индуцира ток във вторичната намотка, който е функция от величината на магнитното поле и броя на завъртанията на вторичната намотка.

Този принцип на работа на трансформатора също обяснява защо AC трябва да бъде изобретен, защото трансформаторът ще работи само когато има промяна в приложеното напрежение или ток, тъй като само тогава принципите на електромагнитната индукция ще работят. По този начин трансформаторът не може да се използва за постоянен ток тогава.

Изграждане на трансформатора

По принцип трансформаторът се състои от две части, които включват; две индуктивни намотки и ламинирана стоманена сърцевина. Намотките са изолирани една от друга и също така изолирани, за да се предотврати контакт с сърцевината.

По този начин конструкцията на трансформатора ще бъде разгледана под конструкцията на бобината и сърцевината.

Ядро на трансформатора

Сърцевината на трансформатора винаги е конструирана чрез подреждане на ламинирани стоманени листове заедно, осигурявайки минимална въздушна междина между тях. Сърцевината на трансформаторите в последно време винаги се състои от ламинирана стоманена сърцевина вместо от железни сърцевини, за да се намалят загубите поради вихрови токове.

Има три основни форми на ламинираните стоманени листове, които можете да избирате, които са E, I и L.

Когато подреждат ламинирането заедно, за да образуват сърцевината, те винаги се подреждат по такъв начин, че страните на съединението да се редуват. Например, листовете са сглобени като челни по време на първия монтаж, те ще бъдат обърнати обратно за следващия монтаж, както е показано на изображението по-долу. Това се прави, за да се предотврати голямо нежелание на ставите.

Намотка

Когато се конструира трансформатор, става много важно да се определи вида на трансформатора като стъпка нагоре или надолу, тъй като това определя броя на завъртанията, които ще съществуват в първичната или вторичната намотка.

Видове трансформатори:

Основно има три вида трансформатори на напрежение;

1. Стъпка надолу Трансформатори

2. Засилване на трансформаторите

3. Изолационни трансформатори

В стъпка надолу трансформатори са трансформатори, който дава намалена стойност на напрежението прилага към първичната намотка на вторичната намотка, а за една стъпка нагоре трансформатор, трансформатор дава повишена стойност на напрежението прилага към първичната намотка, при вторичната бобина.

Изолационните трансформатори са трансформатори, които дават същото напрежение, приложено към първичното на вторичното и по този начин основно използвано за изолиране на електрически вериги.

От горното обяснение създаването на определен тип трансформатор може да бъде постигнато само чрез проектиране на броя на завъртанията във всяка от първичната и вторичната намотки, за да се получи необходимата мощност, което по този начин може да се определи от съотношението на завоите. Можете да прочетете свързания урок, за да научите повече за различните видове трансформатори.

Съотношение на оборотите на трансформатора и уравнение на ЕМП:

Съотношението на оборотите на трансформатора (n) се дава от уравнението;

n = Np / Ns = Vp / Vs

където n = съотношението на завоите

Np = Брой завъртания в първичната намотка

Ns = Брой завъртания във вторичната намотка

Vp = напрежение, приложено към основния

Vs = Напрежение на вторичния

Тези отношения, описани по-горе, могат да се използват за изчисляване на всеки от параметрите в уравнението.

Формулата по-горе е известна като напрежение на трансформаторите.

Тъй като казахме, че мощността остава същата и след трансформация;

Тази формула по-горе се нарича текущото действие на трансформатора. Което служи като доказателство, че трансформаторът не само преобразува напрежението, но и трансформира тока.

EMF уравнение:

Броят на завъртанията на намотката или на първичната, или на вторичната намотка определя количеството ток, което тя предизвиква или се индуцира от нея. Когато токът, приложен към първичната, се намали, силата на магнитното поле се намалява и същото за тока, индуциран във вторичната намотка.

E = N (dΦ / dt)

Количеството напрежение, индуцирано във вторичната намотка, се дава от уравнението:

Където N е броят на завъртанията във вторичната намотка.

Тъй като потокът варира синусоидално, магнитният поток Φ = Φ _max sinwt

по този начин

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

Средно-квадратната стойност на Induced Emf се получава чрез разделяне на максималната стойност на emf на √2

Това уравнение е известно като EMF уравнение на трансформаторите.

Където: N е броят на завъртанията при навиване на бобината

f е честотата на потока в херци

Φ е плътността на магнитния поток във Вебер

при всички тези стойности, трансформаторът може да бъде конструиран по този начин.

Електрическа сила

Както беше обяснено по-рано, трансформаторите са създадени, за да гарантират, че стойността на електрическата енергия, генерирана в генериращите станции, се доставя на крайните потребители с малка или никаква загуба, така че в идеалния трансформатор мощността на изхода (вторична намотка) винаги е същата като входната мощност. По този начин трансформаторите се наричат ​​устройства с постоянна мощност, макар че те могат да променят стойностите на напрежението и тока, това винаги се прави по такъв начин, че една и съща мощност на входа да е налична на изхода.

По този начин

P _s = P _p

където Ps е мощността на вторичната и Pp е мощността на първичната.

Тъй като P = IvcosΦ, тогава I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Ефективност на трансформатор

Ефективността на трансформатора се дава от уравнението;

Ефективност = (изходна мощност / входна мощност) * 100%

Докато изходната мощност на идеалния трансформатор трябва да бъде същата като входната мощност, повечето трансформатори са далеч от идеалния трансформатор и изпитват загуби поради няколко фактора.

Някои от загубите, които могат да бъдат претърпени от трансформатора, са изброени по-долу;

1. Загуби на мед

2. Загуби от хистерезис

3. Загуби от вихрови токове

1. Загуби на мед

Тези загуби понякога се наричат ​​загуби от ликвидация или I ² R загуби. Тези загуби са свързани с мощността, разсейвана от проводника, използван за намотката, когато през него се пропуска ток поради съпротивлението на проводника. Стойността на тази загуба може да бъде изчислена по формулата;

P = I ² R

2. Загуби от хистерезис

Това е загуба, свързана с нежеланието на материалите, използвани за сърцевината на трансформатора. Тъй като променливият ток обръща посоката си, той оказва влияние върху вътрешната структура на материала, използван за сърцевината, тъй като има тенденция да претърпява физически промени, които също изразходват част от енергията

3. Загуби от вихрови токове

Това е загуба, обикновено победена от използването на ламинирани тънки листове стомана. Загубата на вихровия ток произтича от факта, че сърцевината също е проводник и ще индуцира ЕРС във вторичната намотка. Индуцираните в сърцевината токове според закона на Фарадес ще се противопоставят на магнитното поле и ще доведат до разсейване на енергията.

Факторирайки ефекта от тези загуби в изчисленията на ефективността на трансформатора, имаме;

Ефективност = (входна мощност - загуби / входна мощност) * 100% Всички параметри, изразени в единици мощност.