Podstawy transformatora

Generalnie transformatory są urządzeniami zdolnymi do konwersji wielkości z jednej wartości na drugą. W tym artykule skupimy się na transformatorze napięciowym, który jest statycznym komponentem elektrycznym zdolnym do przekształcania napięcia prądu przemiennego z jednej wartości na drugą bez zmiany częstotliwości, zgodnie z zasadami indukcji elektromagnetycznej.

W jednym z naszych poprzednich artykułów na temat prądu przemiennego wspomnieliśmy, jak ważny był transformator w historii prądu przemiennego. To był główny czynnik, który umożliwił prąd przemienny. Początkowo, gdy używane były systemy oparte na DC, nie można było ich przenosić na duże odległości ze względu na utratę mocy w liniach wraz ze wzrostem odległości (długości), co oznacza, że ​​elektrownie prądu stałego musiały być umieszczane wszędzie, dlatego głównym celem AC było aby rozwiązać problem transmisji i bez transformatora nie byłoby to możliwe, ponieważ straty nadal istniałyby nawet przy AC.

Po zamontowaniu transformatora prąd przemienny może być przesyłany ze stacji wytwórczych przy bardzo wysokim napięciu, ale niskim prądzie, co eliminuje straty w linii (przewodach) ze względu na wartość I ² R (co daje straty mocy w linii). Transformator jest następnie wykorzystywany do przekształcenia wysokiego napięcia, niską energię prądu do niskiego napięcia, wysokiej energii bieżącej dystrybucji końcowej w społeczności bez zmiany częstotliwości i przy tej samej mocy, który był transmitowany ze stacji wytwarzającej (P = IV).

Aby lepiej zrozumieć transformator napięciowy, najlepiej zastosować jego najbardziej uproszczony model, jakim jest transformator jednofazowy.

Transformator jednofazowy

Transformator jednofazowy jest najpowszechniejszym (pod względem liczbowym) rodzajem przekładników napięciowych. Występuje w większości „podłączonych” urządzeń, których używamy w domu i wszędzie indziej.

Służy do opisania zasady działania, konstrukcji itp. Transformatora, ponieważ inne transformatory są jak odmiana lub modyfikacja transformatora jednofazowego. Na przykład niektórzy ludzie określają transformator trójfazowy jako składający się z 3 transformatorów jednofazowych.

Transformator jednofazowy składa się z dwóch cewek / uzwojenia (cewki pierwotnej i wtórnej). Te dwa uzwojenia są ułożone w taki sposób, że nie ma między nimi połączenia elektrycznego, dlatego są one owinięte wokół wspólnego magnetycznego żelaza, ogólnie określanego jako rdzeń transformatora, a zatem dwie cewki mają tylko połączenie magnetyczne między sobą. Zapewnia to, że moc jest przenoszona tylko przez indukcję elektromagnetyczną, a także sprawia, że ​​transformatory są przydatne do połączeń izolacyjnych.

Zasada działania transformatora:

Jak wspomniano wcześniej, transformator składa się z dwóch cewek; pierwotne i wtórne cewki. Cewka pierwotna zawsze stanowi wejście do transformatora, natomiast cewka wtórna - wyjście z transformatora.

Dwa główne efekty określają działanie transformatora:

Po pierwsze, prąd przepływający przez drut wytwarza wokół niego pole magnetyczne. Wielkość powstałego pola magnetycznego jest zawsze wprost proporcjonalna do ilości prądu przepływającego przez drut. Wielkość pola magnetycznego wzrasta, jeśli drut zostanie zwinięty w cewkę. Jest to zasada, według której magnetyzm jest indukowany przez cewkę pierwotną. Przyłożenie napięcia do cewki pierwotnej indukuje pole magnetyczne wokół rdzenia transformatora.

Drugi efekt, który w połączeniu z pierwszym wyjaśnia zasadę działania transformatora, który jest oparty na tym, że, jeśli przewód jest owinięty wokół kawałka magnesu i magnetycznych zmian terenowych, zmiany w polu magnetycznym indukuje prąd w przewodnik, którego wielkość zostanie określona przez liczbę zwojów cewki przewodnika. Jest to zasada, na podstawie której cewka wtórna jest zasilana.

Kiedy napięcie jest przyłożone do cewki pierwotnej, tworzy pole magnetyczne wokół rdzenia, którego siła zależy od przyłożonego prądu. Wytworzone pole magnetyczne indukuje w ten sposób prąd w cewce wtórnej, który jest funkcją wielkości pola magnetycznego i liczby zwojów cewki wtórnej.

Ta zasada działania transformatora wyjaśnia również, dlaczego trzeba było wynaleźć prąd przemienny, ponieważ transformator będzie działał tylko wtedy, gdy występuje przemiana w przyłożonym napięciu lub prądzie, ponieważ tylko wtedy będą działać zasady indukcji elektromagnetycznej. Tak więc transformator nie mógł być wtedy używany do prądu stałego.

Budowa transformatora

Zasadniczo transformator składa się z dwóch części, które obejmują; dwie cewki indukcyjne i laminowany rdzeń stalowy. Cewki są izolowane od siebie, a także izolowane, aby zapobiec kontaktowi z rdzeniem.

Konstrukcja transformatora zostanie zatem zbadana pod konstrukcją cewki i rdzenia.

Rdzeń transformatora

Rdzeń transformatora jest zawsze zbudowany przez ułożenie razem laminowanych arkuszy stali, zapewniając minimalną szczelinę powietrzną między nimi. Rdzeń transformatora w ostatnim czasie jest zawsze wykonany z laminowanego rdzenia stalowego zamiast rdzeni żelaznych, aby zmniejszyć straty spowodowane prądami wirowymi.

Do wyboru są trzy główne kształty laminowanych blach stalowych: E, I i L.

Podczas układania laminatów razem w celu utworzenia rdzenia, zawsze układa się je w taki sposób, aby boki złącza były naprzemiennie. Na przykład, arkusze są montowane jako skierowane do przodu podczas pierwszego montażu, zostaną zwrócone tyłem do następnego montażu, jak pokazano na poniższym obrazku. Ma to na celu zapobieżenie dużej niechęci w stawach.

Cewka

Podczas konstruowania transformatora bardzo ważne staje się określenie typu transformatora jako podwyższenia lub obniżenia, ponieważ określa to liczbę zwojów, które będą występować w cewce pierwotnej lub wtórnej.

Rodzaje transformatorów:

Przeważnie istnieją trzy rodzaje przekładników napięciowych;

1. Transformatory obniżające

2. Transformatory podwyższające

3. Transformatory separacyjne

Obniżający transformatory są transformatory, który daje zmniejszoną wartość napięcia przykładanego do uzwojenia pierwotnego w uzwojeniu wtórnym, a do etapu transformator transformator zapewnia zwiększoną wartość napięcia przykładanego do uzwojenia pierwotnego, przy wtórnym cewka.

Transformatory separacyjne to transformatory, które dają to samo napięcie przyłożone do uzwojenia pierwotnego po stronie wtórnej, a zatem są zasadniczo używane do izolowania obwodów elektrycznych.

Z powyższego wyjaśnienia wynika, że ​​stworzenie konkretnego typu transformatora można osiągnąć tylko poprzez zaprojektowanie liczby zwojów w każdej z cewek pierwotnych i wtórnych, aby zapewnić wymaganą moc wyjściową, można to zatem określić na podstawie współczynnika zwojów. Możesz przeczytać połączony samouczek, aby dowiedzieć się więcej o różnych typach transformatorów.

Współczynnik obrotów transformatora i równanie EMF:

Współczynnik zwojów transformatora (n) jest określony równaniem;

n = Np / Ns = Vp / Vs

gdzie n = stosunek obrotów

Np = liczba zwojów cewki pierwotnej

Ns = liczba zwojów cewki wtórnej

Vp = napięcie przyłożone do pierwotnego

Vs = napięcie po stronie wtórnej

Te opisane powyżej zależności można wykorzystać do obliczenia każdego z parametrów w równaniu.

Powyższy wzór jest znany jako działanie napięcia transformatora.

Ponieważ powiedzieliśmy, że po transformacji moc pozostaje taka sama;

Powyższy wzór nazywany jest działaniem prądowym transformatora. Co jest dowodem na to, że transformator nie tylko przekształca napięcie, ale także przekształca prąd.

Równanie EMF:

Liczba zwojów cewki cewki pierwotnej lub wtórnej określa ilość prądu, który indukuje lub jest przez nią indukowany. Kiedy prąd doprowadzany do uzwojenia pierwotnego jest zmniejszony, siła pola magnetycznego jest zmniejszona i taka sama dla prądu indukowanego w uzwojeniu wtórnym.

E = N (dΦ / dt)

Wielkość napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym określa równanie:

Gdzie N to liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym.

Ponieważ strumień zmienia się sinusoidalnie, strumień magnetyczny Φ = Φ _max sinwt

a zatem

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

Podstawową średnią kwadratową wartości indukowanego emf uzyskuje się, dzieląc maksymalną wartość emf przez √2

To równanie jest znane jako równanie pola elektromagnetycznego transformatorów.

Gdzie: N to liczba zwojów uzwojenia cewki

f jest częstotliwością strumienia w hercach

Φ jest gęstością strumienia magnetycznego webera

Po określeniu wszystkich tych wartości można w ten sposób skonstruować transformator.

Energia elektryczna

Jak wcześniej wyjaśniono, transformatory zostały stworzone, aby zapewnić, że wartość energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach jest dostarczana użytkownikom końcowym z niewielkimi stratami lub bez strat, dlatego w transformatorze Ideal moc wyjściowa (uzwojenie wtórne) jest zawsze taka sama, jak moc wejściowa. Transformatory są więc określane jako urządzenia o stałej mocy, chociaż mogą zmieniać wartości napięcia i prądu, zawsze odbywa się to w taki sposób, aby na wyjściu dostępna była taka sama moc na wejściu.

A zatem

P _s = P _p

gdzie Ps jest mocą w drugorzędnym, a Pp jest mocą w pierwotnym.

Ponieważ P = IvcosΦ to ja _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Sprawność transformatora

Sprawność transformatora jest określona równaniem;

Sprawność = (moc wyjściowa / moc wejściowa) * 100%

Podczas gdy moc wyjściowa idealnego transformatora powinna być taka sama jak moc wejściowa, większość transformatorów jest daleko od idealnego transformatora i powoduje straty z powodu kilku czynników.

Poniżej wymieniono niektóre straty, jakich może doświadczyć transformator;

1. Straty miedzi

2. Straty histerezy

3. Straty prądów wirowych

1. Straty miedzi

Straty te są czasami nazywane stratami uzwojenia lub stratami I ² R. Straty te są związane z mocą rozpraszaną przez przewodnik użyty do uzwojenia, gdy przepływa przez niego prąd ze względu na rezystancję przewodnika. Wartość tej straty można obliczyć za pomocą wzoru;

P = I ² R.

2. Straty histerezy

Jest to strata związana z opornością materiałów użytych na rdzeń transformatora. Ponieważ prąd przemienny odwraca swój kierunek, ma wpływ na wewnętrzną strukturę materiału użytego na rdzeń, ponieważ ma on tendencję do zmian fizycznych, które również pochłaniają część energii

3. Straty prądów wirowych

Jest to strata zwykle pokonywana przez zastosowanie laminowanych cienkich arkuszy stali. Strata prądów wirowych wynika z faktu, że rdzeń jest również przewodnikiem i indukuje emf w cewce wtórnej. Prądy indukowane w rdzeniu zgodnie z prawem Faradaysa przeciwstawią się polu magnetycznemu i doprowadzą do rozproszenia energii.

Uwzględniając wpływ tych strat na obliczenia sprawności transformatora, mamy;

Sprawność = (moc pobierana - straty / moc pobierana) * 100% Wszystkie parametry wyrażone w jednostkach mocy.