Základy transformátora

Transformátory sú vo všeobecnosti zariadenia schopné prevádzať veličiny z jednej hodnoty na druhú. V tomto článku sa zameriame na napäťový transformátor, ktorý je statickou elektrickou súčasťou schopnou prevádzať striedavé napätie z jednej hodnoty na druhú bez zmeny frekvencie pomocou princípov elektromagnetickej indukcie.

V jednom z našich predchádzajúcich článkov o striedavom prúde sme spomenuli, aký dôležitý bol transformátor, v histórii striedavého prúdu. Bol to hlavný aktivátor, ktorý umožnil striedavý prúd. Spočiatku, keď sa používali systémy na báze jednosmerného prúdu, nemohli sa prenášať na veľké vzdialenosti kvôli strate výkonu v linkách, pretože sa zväčšovala vzdialenosť (dĺžka), čo znamená, že jednosmerné elektrárne museli byť umiestnené všade, takže hlavným cieľom AC bolo vyriešiť problém s prenosom a bez transformátora by to nebolo možné, pretože straty by stále existovali aj pri AC.

Ak je transformátor na mieste, mohlo by sa AC prenášať z výrobných staníc pri veľmi vysokom napätí, ale pri nízkom prúde, čo eliminuje straty v linke (drôty) v dôsledku hodnoty I ² R (ktorá udáva stratu energie v linke).. Transformátor je potom použitý pre prevod vysoké napätie, nízky prúd energie na nízke napätie, vysoký prúd energie pre konečnú distribúciu v rámci komunity bez zmenou frekvencie a pri rovnakom výkone, ktoré boli odovzdané z elektráreň (P = IV).

Pre lepšie pochopenie napäťového transformátora je najlepšie použiť jeho najjednoduchší model, ktorým je jednofázový transformátor.

Jednofázový transformátor

Jednofázový transformátor je najbežnejším (z hľadiska použitého počtu) druhov napäťových transformátorov. Je prítomný vo väčšine „zapojených“ spotrebičov, ktoré používame doma a kdekoľvek inde.

Používa sa na popísanie princípu činnosti, konštrukcie atď. Transformátora, pretože ostatné transformátory sú ako variácia alebo modifikácia jednofázového transformátora. Napríklad niektorí ľudia označujú trojfázový transformátor ako zložený z 3 jednofázových transformátorov.

Jednofázový transformátor sa skladá z dvoch cievok / vinutia (primárna a sekundárna cievka). Tieto dve vinutia sú usporiadané tak, že medzi nimi nie je žiadne elektrické spojenie, takže sú navinuté na spoločnom magnetickom žehličke, ktorá sa všeobecne označuje ako jadro transformátora, takže tieto dve cievky majú medzi sebou iba magnetické spojenie. To zaisťuje, že sa energia prenáša iba prostredníctvom elektromagnetickej indukcie, a transformátory sú tiež užitočné na izoláciu pripojení.

Princíp činnosti transformátora:

Ako už bolo spomenuté, transformátor sa skladá z dvoch cievok; primárnej a sekundárnej cievky. Primárna cievka vždy predstavuje vstup do transformátora, zatiaľ čo sekundárna cievka výstup z transformátora.

Prevádzku transformátora definujú dva hlavné efekty:

Prvým z nich je to, že prúd tečie cez drôt zriaďuje magnetické pole okolo drôtu. Veľkosť výsledného magnetického poľa je vždy priamo úmerná množstvu prúdu prechádzajúceho vodičom. Veľkosť magnetického poľa sa zvýši, ak je drôt navinutý do tvaru cievky. Toto je princíp, s ktorým je magnetizmus indukovaný primárnou cievkou. Aplikáciou napätia na primárnu cievku indukuje magnetické pole okolo jadra transformátora.

Druhý efekt, ktorý v kombinácii s prvým vysvetľuje prevádzkový princíp transformátora ktorá je založená na skutočnosti, že v prípade, že vodič je navinutá okolo kus magnetu a zmeny magnetického poľa, zmena magnetického poľa indukuje prúd v vodič, ktorého veľkosť bude určená počtom závitov cievky vodiča. Toto je princíp, ktorým sa napája sekundárna cievka.

Keď je na primárnu cievku privedené napätie, vytvára okolo jadra magnetické pole, ktorého sila závisí od privedeného prúdu. Vytvorené magnetické pole tak indukuje prúd v sekundárnej cievke, ktorý je funkciou veľkosti magnetického poľa a počtu závitov sekundárnej cievky.

Tento prevádzkový princíp transformátora tiež vysvetľuje, prečo musel byť vynájdený striedavý prúd, pretože transformátor bude fungovať iba vtedy, keď dôjde k striedaniu použitého napätia alebo prúdu, pretože až potom budú fungovať princípy elektromagnetickej indukcie. Tak transformátor nemohol byť použitý pre DC potom.

Konštrukcia transformátora

Transformátor je v zásade zložený z dvoch častí, ktoré zahŕňajú; dve indukčné cievky a vrstvené oceľové jadro. Cievky sú navzájom izolované a tiež izolované, aby sa zabránilo kontaktu s jadrom.

Konštrukcia transformátora sa tak bude skúmať pod konštrukciou cievky a jadra.

Transformersovo jadro

Jadro transformátora je vždy skonštruované stohovaním vrstvených oceľových plechov dohromady, čím sa zabezpečí minimálna vzduchová medzera medzi nimi. Jadro transformátora je v poslednej dobe vždy tvorené jadrom z laminovanej ocele namiesto železných jadier, aby sa znížili straty spôsobené vírivými prúdmi.

Na výber sú tri hlavné tvary vrstvených oceľových plechov, ktorými sú E, I a L.

Pri stohovaní laminácie tak, aby sa vytvorilo jadro, sa vždy stohujú tak, aby sa strany spoja striedali. Napríklad hárky sa počas prvej montáže zostavia ako čelné, pri ďalšej montáži budú zadné, ako je to znázornené na obrázku nižšie. Toto sa robí, aby sa zabránilo vysokej neochote v kĺboch.

Cievka

Pri konštrukcii transformátora je veľmi dôležité určiť typ transformátora buď ako krok nahor alebo nadol, pretože to určuje počet závitov, ktoré budú existovať v primárnej alebo sekundárnej cievke.

Typy transformátorov:

Väčšinou existujú tri typy transformátorov napätia;

1. Odstráňte transformátory

2. Zintenzívnite transformátory

3. Izolačné transformátory

Krok dole transformátory sú transformátory, ktoré poskytuje zníženú hodnotu napätia na primárnej cievke v sekundárnom vinutia, zatiaľ čo pre krok transformátor, transformátor poskytuje zvýšené hodnota napätia na primárnej cievke, na sekundárne cievka.

Izolačné transformátory sú transformátory, ktoré dodávajú rovnaké napätie primárne na sekundárnom, a teda sa v zásade používajú na izoláciu elektrických obvodov.

Z vyššie uvedeného vysvetlenia možno vytvorenie konkrétneho typu transformátora dosiahnuť iba návrhom počtu závitov v každej z primárnych a sekundárnych cievok tak, aby sa dosiahol požadovaný výkon, čo sa dá určiť pomerom závitov. Môžete si prečítať prepojený návod, kde sa dozviete viac o rôznych typoch transformátorov.

Pomer otáčok transformátora a rovnica EMF:

Pomer závitov transformátora (n) je daný rovnicou;

n = Np / Ns = Vp / Vs

kde n = pomer otáčok

Np = počet závitov v primárnej cievke

Ns = počet závitov v sekundárnej cievke

Vp = napätie primárne pripojené

Vs = napätie na sekundárnom vedení

Tieto vyššie opísané vzťahy sa dajú použiť na výpočet každého z parametrov v rovnici.

Vyššie uvedený vzorec je známy ako pôsobenie napätia transformátorov.

Pretože sme povedali, že sila po transformácii zostáva rovnaká;

Tento vzorec sa vyššie označuje ako súčasná akcia transformátora. Čo slúži ako dôkaz toho, že transformátor transformuje nielen napätie, ale aj prúd.

EMF rovnica:

Počet závitov cievky jednej z primárnych alebo sekundárnych cievok určuje množstvo prúdu, ktoré indukuje alebo je ním indukované. Keď sa prúd primárny zníži, sila magnetického poľa sa zníži rovnako pre prúd indukovaný v sekundárnom vinutí.

E = N (dΦ / dt)

Množstvo napätia indukovaného v sekundárnom vinutí je dané rovnicou:

Kde N je počet závitov v sekundárnom vinutí.

Ako tavidlo sa sínusovou mení magnetický tok Φ = Φ _max sinwt

teda

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

Efektívna hodnota indukovaného Emf sa získa vydelením maximálnej hodnoty emf √2

Táto rovnica je známa ako rovnica EMF transformátorov.

Kde: N je počet závitov vo vinutí cievky

f je frekvencia toku v hertzoch

Φ je hustota magnetického toku vo Weberovi

so všetkými týmito určenými hodnotami možno transformátor skonštruovať.

Elektrická energia

Ako už bolo vysvetlené, transformátory boli vyvinuté tak, aby sa zaistilo, že hodnota elektrickej energie generovanej vo výrobných staniciach je dodávaná koncovým používateľom s malými alebo žiadnymi stratami. V prípade transformátora Ideal je teda výkon na výstupe (sekundárne vinutie) vždy rovnaký ako príkon. Transformátory sa tak označujú ako zariadenia s konštantným príkonom, hoci môžu meniť hodnoty napätia a prúdu, vždy sa to deje tak, že na výstupe je k dispozícii rovnaký výkon na vstupe.

Teda

P _s = P _p

kde Ps je sila na sekundárnom a Pp je sila na primárnom.

Pretože P = IvcosΦ potom I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Účinnosť transformátora

Účinnosť transformátora je daná rovnicou;

Účinnosť = (výstupný výkon / vstupný výkon) * 100%

Zatiaľ čo výstupný výkon ideálneho transformátora by mal byť rovnaký ako príkon, väčšina transformátorov je ďaleko od ideálneho transformátora a dochádza k stratám v dôsledku viacerých faktorov.

Niektoré straty, ktoré môže transformátor utrpieť, sú uvedené nižšie;

1. Straty medi

2. Hysterézne straty

3. Straty vírivých prúdov

1. Straty medi

Tieto straty sa niekedy označujú ako straty vinutím alebo straty I ² R. Tieto straty sú spojené s výkonom rozptýleným vodičom použitým na vinutie, keď cez neho prechádza prúd v dôsledku odporu vodiča. Hodnotu tejto straty je možné vypočítať pomocou vzorca;

P = I ² R

2. Hysterézne straty

Toto je strata súvisiaca s neochotou materiálov použitých na jadro transformátora. Keď striedavý prúd otočí svoj smer, má to vplyv na vnútornú štruktúru materiálu použitého pre jadro, pretože má tendenciu podliehať fyzickým zmenám, ktoré tiež využívajú časť energie

3. Straty vírivých prúdov

Toto je strata obvykle prekonaná použitím vrstvených tenkých plechov z ocele. Strata vírivých prúdov vyplýva zo skutočnosti, že jadro je tiež vodičom a bude indukovať emf v sekundárnej cievke. Prúdy indukované v jadre podľa zákona podľa zákona budú pôsobiť proti magnetickému poľu a viesť k rozptýleniu energie.

Faktorovanie účinku týchto strát do výpočtov účinnosti transformátora, máme;

Účinnosť = (príkon - straty / príkon) * 100% Všetky parametre vyjadrené v jednotkách výkonu.