Zawartość
- Obliczanie współczynnika obrotów transformatora
- Budowa transformatora
- Rodzaje efektów transformatora
- Transformatory w praktyce
- Równanie transformatora we wzajemnej indukcyjności
Prąd przemienny (AC) w większości urządzeń w domu może pochodzić tylko z linii elektroenergetycznych zasilanych prądem stałym (DC) za pomocą transformatora. Dzięki różnym rodzajom prądu, który może przepływać przez obwód, pomaga mieć moc kontrolowania tych zjawisk elektrycznych. Do wszystkich swoich zastosowań w zmianie napięcia obwodów, transformatory w dużej mierze polegają na stosunku zwojów.
Obliczanie współczynnika obrotów transformatora
Transformator zmienia stosunek to podział liczby zwojów uzwojenia pierwotnego przez liczbę zwojów uzwojenia wtórnego według równania T.R = N.p/ Ns. Stosunek ten powinien również równać się napięciu uzwojenia pierwotnego podzielonemu przez napięcie uzwojenia wtórnego, jak podano przez V.p/ Vs. Uzwojenie pierwotne odnosi się do cewki indukcyjnej, elementu obwodu, który indukuje pole magnetyczne w odpowiedzi na przepływ ładunku, transformatora, a wtórne jest cewką niezasilaną.
Stosunki te są prawdziwe przy założeniu, że kąt fazowy uzwojenia pierwotnego jest równy kątowi fazowemu uzwojenia wtórnego przez równanie ΦP. = ΦS.. Ten pierwotny i wtórny kąt fazowy opisuje, w jaki sposób prąd, który zmienia się między kierunkiem do przodu i do tyłu w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym transformatora, jest zsynchronizowany ze sobą.
W przypadku źródeł napięcia prądu przemiennego, stosowanych w transformatorach, kształt fali wejściowej jest sinusoidalny, a kształt ma kształt fali sinusoidalnej. Współczynnik zwojów transformatora informuje, o ile napięcie zmienia się w transformatorze, gdy prąd przechodzi z uzwojenia pierwotnego do uzwojenia wtórnego.
Należy również pamiętać, że słowo „stosunek” w tym wzorze odnosi się do frakcja, nie rzeczywisty stosunek. Ułamek 1/4 różni się od stosunku 1: 4. Podczas gdy 1/4 jest jedną częścią całości podzieloną na cztery równe części, stosunek 1: 4 oznacza, że dla jednego z nich istnieją cztery czegoś innego. „Stosunek” we współczynniku zwojów transformatora jest ułamkiem, a nie stosunkiem we wzorze przekładni transformatora.
Współczynnik zwojów transformatora pokazuje, że ułamkowa różnica, jaką przyjmuje napięcie, zależy od liczby cewek uzwojonych wokół pierwotnej i wtórnej części transformatora. Transformator z pięcioma cewkami uzwojonymi pierwotnie i 10 cewkami uzwojonymi wtórnie przecina źródło napięcia o połowę zgodnie z wartością 5/10 lub 1/2.
To, czy napięcie wzrośnie, czy zmniejszy się w wyniku tych cewek, decyduje o jego transformatorze podwyższającym lub obniżającym według wzoru przekładnika. Transformator, który ani nie zwiększa, ani nie obniża napięcia, jest „transformatorem impedancyjnym”, który może albo mierzyć impedancję, przeciwstawić obwody prądowi, albo po prostu wskazywać przerwy między różnymi obwodami elektrycznymi.
Budowa transformatora
Podstawowymi elementami transformatora są dwie cewki, pierwotna i wtórna, które otaczają żelazny rdzeń. Rdzeń ferromagnetyczny lub rdzeń wykonany z magnesu stałego transformatora wykorzystuje również cienkie izolowane elektrycznie plastry, dzięki czemu powierzchnie te mogą zmniejszać rezystancję prądu przepływającego z cewek pierwotnych do cewek wtórnych transformatora.
Konstrukcja transformatora będzie na ogół zaprojektowana tak, aby tracić jak najmniej energii. Ponieważ nie cały strumień magnetyczny z cewek pierwotnych przechodzi do wtórnego, w praktyce wystąpi pewna strata. Transformatory również tracą energię z powodu prądy wirowe, zlokalizowany prąd elektryczny spowodowany zmianami pola magnetycznego w obwodach elektrycznych.
Transformatory mają swoją nazwę, ponieważ używają tego układu rdzenia magnesującego z uzwojeniami na dwóch oddzielnych częściach, aby przekształcić energię elektryczną w energię magnetyczną poprzez magnesowanie rdzenia z prądu przez uzwojenia pierwotne.
Następnie rdzeń magnetyczny indukuje prąd w uzwojeniach wtórnych, który przekształca energię magnetyczną z powrotem w energię elektryczną. Oznacza to, że transformatory zawsze działają na źródle wejściowego napięcia przemiennego, które przełącza się między kierunkiem prądu do przodu i do tyłu w regularnych odstępach czasu.
Rodzaje efektów transformatora
Oprócz wzoru na napięcie lub liczbę cewek, możesz studiować transformatory, aby dowiedzieć się więcej o naturze różnych rodzajów napięć, indukcji elektromagnetycznej, pól magnetycznych, strumienia magnetycznego i innych właściwościach, które wynikają z budowy transformatora.
W przeciwieństwie do źródła napięcia, które jest prądem w jednym kierunku, an Źródło napięcia przemiennego wysłany przez cewkę pierwotną wytworzy własne pole magnetyczne. Zjawisko to znane jest jako wzajemna indukcyjność.
Natężenie pola magnetycznego wzrosłoby do jego wartości maksymalnej, która jest równa różnicy strumienia magnetycznego podzielonej przez okres czasu, dΦ / dt. Pamiętaj, że w tym przypadku Φ służy do wskazania strumienia magnetycznego, a nie kąta fazowego. Te linie pola magnetycznego są wyciągane na zewnątrz elektromagnesu. Inżynierowie budujący transformatory biorą również pod uwagę wiązanie strumienia, które jest produktem strumienia magnetycznego Φ i liczba cewek w drucie N. spowodowane przez pole magnetyczne przechodzące z jednej cewki do drugiej.
Ogólne równanie dla strumienia magnetycznego jest następujące Φ = BAcosθ dla obszaru, przez który przechodzi pole ZA wm2, pole magnetyczne b w Teslas i θ jako kąt między wektorem prostopadłym do obszaru a polem magnetycznym. W przypadku prostego przypadku owinięcia cewek wokół magnesu strumień podaje Φ = NBA dla liczby cewek N., pole magnetyczne b i na pewnym obszarze ZA powierzchni równoległej do magnesu. Jednak w przypadku transformatora połączenie strumienia powoduje, że strumień magnetyczny w uzwojeniu pierwotnym jest równy strumieniowi uzwojenia wtórnego.
Według Prawo Faradaysa, można obliczyć napięcie indukowane w uzwojeniu pierwotnym lub wtórnym transformatora poprzez obliczenie N x dΦ / dt. Wyjaśnia to również, dlaczego transformator zmienia stosunek napięcia jednej części transformatora do drugiej jest równy liczbie cewek jednej do drugiej.
Jeśli miałbyś porównać N x dΦ / dt z jednej strony na drugą, dΦ / dt anuluje się, ponieważ obie części mają ten sam strumień magnetyczny. Na koniec można obliczyć amperokręty transformatora jako iloczyn prądu razy liczbę cewek jako metodę pomiaru siły magnesującej cewki
Transformatory w praktyce
Dystrybucja energii łączy energię elektryczną z elektrowni do budynków i domów. Te linie energetyczne rozpoczynają się w elektrowni, w której generator elektryczny wytwarza energię elektryczną z jakiegoś źródła. Może to być zapora hydroelektryczna, która wykorzystuje energię wody lub turbina gazowa, która wykorzystuje spalanie do wytwarzania energii mechanicznej z gazu ziemnego i przekształca ją w energię elektryczną. Ta energia elektryczna jest niestety wytwarzana w postaci Napięcie DC który musi być przetworzony na napięcie prądu przemiennego dla większości urządzeń gospodarstwa domowego.
Transformatory umożliwiają wykorzystanie tej energii elektrycznej, tworząc jednofazowe zasilacze prądu stałego dla gospodarstw domowych i budynków na podstawie oscylującego napięcia przemiennego. Transformatory wzdłuż sieci dystrybucji energii zapewniają również, że napięcie jest odpowiednie dla domowych systemów elektronicznych i elektrycznych. W sieciach dystrybucyjnych stosowane są również „szyny”, które dzielą dystrybucję na wiele kierunków obok wyłączników, aby zachować odrębne dystrybucje od siebie.
Inżynierowie często biorą pod uwagę wydajność transformatorów, używając prostego równania dla wydajności jako _η = PO/ Pja _falub moc wyjściowa P__O i moc wejściowa P.ja. W oparciu o konstrukcję transformatorów systemy te nie tracą energii na tarcie lub opór powietrza, ponieważ transformatory nie zawierają ruchomych części.
Prąd magnesujący, czyli ilość prądu potrzebna do namagnesowania rdzenia transformatora, jest ogólnie bardzo mała w porównaniu z prądem indukowanym przez pierwotną część transformatora. Czynniki te oznaczają, że transformatory są zazwyczaj bardzo wydajne, a ich wydajność wynosi 95 procent i więcej w przypadku większości nowoczesnych konstrukcji.
Jeśli zastosujesz źródło napięcia przemiennego do uzwojenia pierwotnego transformatora, strumień magnetyczny indukowany w rdzeniu magnetycznym będzie nadal indukował napięcie przemienne w uzwojeniu wtórnym w tej samej fazie, co napięcie źródłowe. Strumień magnetyczny w rdzeniu pozostaje jednak 90 ° za kątem fazowym napięcia źródła. Oznacza to, że prąd uzwojenia pierwotnego, prąd magnesujący, również pozostaje w tyle za źródłem napięcia przemiennego.
Równanie transformatora we wzajemnej indukcyjności
Oprócz pola, strumienia i napięcia, transformatory ilustrują zjawiska elektromagnetyczne o wzajemnej indukcyjności, które dają większą moc pierwotnym uzwojeniu transformatora po podłączeniu do źródła zasilania.
Dzieje się tak, gdy uzwojenia pierwotne reagują na wzrost obciążenia, coś, co zużywa energię, na uzwojenie wtórne. Jeśli dodasz obciążenie do uzwojenia wtórnego za pomocą metody takiej jak zwiększenie rezystancji jego drutów, uzwojenie pierwotne zareaguje pobierając więcej prądu ze źródła zasilania, aby skompensować ten spadek. Wzajemna indukcyjność to obciążenie nałożone na wtórne, którego można użyć do obliczenia wzrostu prądu przez uzwojenia pierwotne.
Jeśli miałbyś napisać osobne równanie napięcia zarówno dla uzwojenia pierwotnego, jak i wtórnego, możesz opisać to zjawisko wzajemnej indukcyjności. Dla uzwojenia pierwotnego V.P. = JaP.R1 + L.1ΔIP./ Δt - M ΔIS./ Δt, dla prądu przez uzwojenie pierwotne jaP., rezystancja obciążenia pierwotnego uzwojenia R1, wzajemna indukcyjność M., indukcyjność uzwojenia pierwotnego L.jauzwojenie wtórne jaS. i zmiana w czasie Δt. Znak ujemny przed wzajemną indukcyjnością M. pokazuje, że prąd źródłowy natychmiast doświadcza spadku napięcia z powodu obciążenia uzwojenia wtórnego, ale w odpowiedzi uzwojenie pierwotne podnosi swoje napięcie.
To równanie jest zgodne z zasadami pisania równań, które opisują, jak prąd i napięcie różnią się między elementami obwodu. W przypadku zamkniętej pętli elektrycznej można zapisać sumę napięcia na każdym elemencie równą zero, aby pokazać, jak napięcie spada na każdym elemencie w obwodzie.
W przypadku uzwojenia pierwotnego należy zapisać to równanie, aby uwzględnić napięcie na samych uzwojeniach pierwotnych (jaP.R1), napięcie wynikające z indukowanego prądu pola magnetycznego L.1ΔIP./ Δt oraz napięcie wynikające z efektu wzajemnej indukcyjności z uzwojeń wtórnych M ΔIS./ Δt.
Podobnie możesz napisać równanie opisujące spadki napięcia na uzwojeniach wtórnych jako M ΔI__P./ Δt = IS.R2 + L.2ΔIS./ Δt. To równanie obejmuje wtórny prąd uzwojenia jaS., indukcyjność uzwojenia wtórnego L.2 oraz rezystancja obciążenia uzwojenia wtórnego R2. Rezystancja i indukcyjność są oznaczone odpowiednio indeksami dolnymi 1 lub 2 zamiast P lub S, ponieważ rezystory i induktory są często ponumerowane, a nie oznaczone literami. Na koniec możesz obliczyć indukcyjność wzajemną bezpośrednio z cewek indukcyjnych M = √L1L2.