Како трансформатори раде

Према дефиницији датој у Википедиа електрични трансформатор је непокретна опрема која размењује електричну снагу кроз неколико уско намотаних калемова, магнетном индукцијом.

Стално променљива струја у једном намотају трансформатора генерише променљиви магнетни ток, који, последично, индукује променљиву електромоторну силу током друге завојнице изграђене на истом језгру.

Основни принцип рада

Трансформатори у основи раде преносећи електричну снагу између пара намотаја међусобном индукцијом, без зависности од било ког облика директног контакта између два намотаја.

Овај процес преноса електричне енергије кроз индукцију први пут је доказан Фарадаиевим законом индукције, 1831. године. Према овом закону, индуковани напон на два калема настаје услед различитог магнетног флукса који окружује калем.

Основна функција трансформатора је појачавање или спуштање наизменичног напона / струје, у различитим пропорцијама према захтевима примене. Пропорције се одређују бројем окрета и односом окрета намотаја.

Анализирајући идеални трансформатор

Можемо замислити идеалан трансформатор као хипотетички дизајн који може бити практично без икаквих облика губитака. Штавише, овај идеални дизајн може имати свој примарни и секундарни намотај савршено повезани једни с другима.

Значи, магнетна веза између два намотаја је кроз језгро чија је магнетна пропустљивост бесконачна и са индуктивитетима намотаја са укупном нултом магнетном силом.

Знамо да у трансформатору примењена наизменична струја у примарном намотају покушава да појача променљиви магнетни ток унутар језгра трансформатора, што такође укључује секундарни намотај заокружен око њега.

Због овог променљивог флукса, електромоторна сила (ЕМФ) индукује се на секундарном намотају кроз електромагнетну индукцију. То резултира стварањем флукса на секундарном намотају величине која је супротна, али једнака примарном току намотаја, према Ленз'зов закон .

С обзиром да језгро носи бесконачну магнетну пропустљивост, целокупан (100%) магнетни ток може да се пренесе преко два намотаја.

То подразумева да, када је примар подвргнут извору наизменичне струје, а оптерећење је повезано на стезаљке секундарног намотаја, струја протиче кроз одговарајући намотај у правцима као што је приказано на следећем дијаграму. У овом стању магнетна сила језгра је неутралисана на нулу.

Љубазношћу слике: хттпс://цоммонс.викимедиа.орг/вики/Филе:Трансформер3д_цол3.свг

У овом идеалном дизајну трансформатора, пошто је пренос флукса преко примарног и секундарног намотаја 100%, према Фарадаиевом закону индуковани напон на сваком намотају биће савршено пропорционалан броју завоја намотаја, као што је приказано у следећем фигура:

Тест видео Проверавање линеарне везе између односа примарног и секундарног завоја.

Омјер окрета и напона

Покушајмо детаљно да разумемо прорачуне омјера окрета:

Нето величина напона индукованог од примарног до секундарног намотаја једноставно се одређује односом броја завоја намотаних на примарном и секундарном одељку.

Међутим, ово правило важи само ако је трансформатор близу идеалног трансформатора.

Идеалан трансформатор је онај трансформатор који има занемарљиве губитке у облику кожног ефекта или вртложне струје.

Узмимо пример доње слике 1 (за идеалан трансформатор).

Претпоставимо да се примарни намотај састоји од око 10 завоја, док секундарни са само једним завојем. Због електромагнетне индукције, линије флукса које се генеришу преко примарног намотаја као одговор на улазни наизменични ток наизменично се шире и урушавају, пресецајући 10 завоја примарног намотаја. То резултира тачно пропорционалном количином напона индукованог на секундарном намотају у зависности од односа завоја.

Намотај који се напаја наизменичним улазом постаје примарни намотај, док допунски намотај који производи излаз магнетном индукцијом из примарног постаје секундарни намотај.

Слика 1)

Пошто секундарни има само један завој, он доживљава сразмерни магнетни ток преко свог једног завоја у односу на 10 завоја примарног.

Према томе, пошто је напон примењен на примарној струји 12 В, тада би сваки његов намотај био подвргнут бројачу ЕМФ од 12/10 = 1,2 В, а то је тачно величина напона који би утицао на једноструки завој присутан преко секундарни одељак. То је зато што има један намотај који може да извуче само исту еквивалентну количину индукције која може бити доступна током једног окрета преко примарног.

Тако би секундар са једним окретом могао да извуче 1,2В из примарног.

Горње објашњење указује на то да број завоја примарног трансформатора линеарно одговара напону напајања на њему и напон се једноставно дели бројем завоја.

Тако би у горњем случају, с обзиром да је напон 12В, а број завоја 10, нето бројач ЕМФ индукован преко сваког од завоја био 12/10 = 1,2В

Пример # 2

Хајде сада да визуализујемо доњу слику 2, она приказује сличан тип конфигурације као на слици 1. очекујте секундарни који сада има 1 додатни завој, то јест 2 броја завоја.

Непотребно је рећи да би сада секундарни пролазио двоструко више линија флукса у поређењу са условом на слици 1 који је имао само један завој.

Дакле, овде би секундарни намотај читао око 12/10 к 2 = 2,4В, јер би на два завоја утицала величина бројача ЕМФ која би могла бити еквивалентна преко два намотаја на примарној страни трафо-а.

Стога из горње расправе уопште можемо закључити да су у трансформатору односи између напона и броја завоја на примарном и секундарном прилично линеарни и пропорционални.

Бројеви окретаја трансформатора

Тако изведена формула за израчунавање броја завоја било ког трансформатора може се изразити као:

Ес / Еп = Нс / Нп

где,

• Ес = секундарни напон ,
• Еп = примарни напон,
• Нс = Број секундарних завоја,
• Нп = Број примарних завоја.

Однос примарног секундарног скретања

Било би занимљиво приметити да горња формула указује на директну везу између односа секундарног према примарном напону и секундарног према примарном броју завоја, за које се наводи да су пропорционални и једнаки.

Стога се горња једначина може изразити и као:

Еп к Нс = Ес к Нп

Даље, можемо извести горњу формулу за решавање Ес и Еп како је приказано доле:

Ес = (Еп к Нс) / Нп

слично,

Еп = (Ес к Нп) / Нс

Горња једначина показује да ако су доступне било које 3 величине, четврта величина може се лако одредити решавањем формуле.

Решавање практичних проблема са намотавањем трансформатора

Случај у тачки 1: Трансформатор има 200 броја завоја у примарном одељку, 50 броја завоја у секундарном и 120 волти повезаних преко примарног (Еп). Колики би могао бити напон на секундару (Е)?

Дато:

• Нп = 200 завоја
• Нс = 50 окретаја
• Еп = 120 волти
• Је =? волти

Одговор:

Ес = ЕпНс / Нп

Замена:

Ес = (120В к 50 окретаја) / 200 окретаја

Ес = 30 волти

Случај у тачки # 2 : Претпоставимо да имамо 400 броја завоја жице у калему од гвозденог језгра.

Под претпоставком да се завојница треба користити као примарни намотај трансформатора, израчунајте број завоја које треба намотати на завојницу да бисте добили секундарни намотај трансформатора како бисте осигурали секундарни напон од једног волта у ситуацији када је примарни напон је 5 волти?

Дато:

• Нп = 400 окретаја
• Еп = 5 волти
• Ес = 1 волти
• Нс =? окреће

Одговор:

ЕпНс = ЕсНп

Транспозиција за Нс:

Нс = ЕсНп / Еп

Замена:

Нс = (1В к 400 окретаја) / 5 волти

Нс = 80 окретаја

Имати на уму: Однос напона (5: 1) еквивалентан је односу намотаја (400: 80). Повремено се као замена за одређене вредности нађете са односом окрета или напона.

У оваквим случајевима можете једноставно претпоставити било који произвољан број за један од напона (или намотаја) и израчунати другу алтернативну вредност из односа.

Као илустрацију, претпоставимо да је однос намотавања додељен као 6: 1, можете замислити количину завоја за примарни пресек и схватити еквивалентан секундарни број завоја, користећи сличне пропорције попут 60:10, 36: 6, 30: 5 итд.

Трансформатор у свим горе наведеним примерима носи мањи број завоја у секундарном одељку у односу на примарни део. Из тог разлога можете пронаћи мању количину напона на секундару трафоа уместо на примарној страни.

Шта су Степ-уп и Степ-Довн трансформатори

Трансформатор чији је номинални напон на секундарној страни нижи од номиналног напона на бочној страни назива се а СТЕП-ДОВН трансформатор .

Или, алтернативно, ако је улаз наизменичне струје примењен на намотај који има већи број завоја, трансформатор делује као силазни трансформатор.

Однос силазног трансформатора четири према један уписан је као 4: 1. Трансформатор који укључује мањи број завоја на примарној страни у поређењу са секундарном страном генерисаће већи напон на секундарној страни у поређењу са напоном повезаним на примарној страни.

Трансформатор који има секундарну страну назначену изнад напона на примарној страни назива се СТЕП-УП трансформатор. Или, ако је улаз наизменичне струје примењен на намотај који има мањи број завоја, трансформатор делује као појачавајући трансформатор.

Однос степенастог трансформатора један према четири треба уписати као 1: 4. Као што видите у два односа да се величина примарног бочног намотаја непрекидно помиње на почетку.

Да ли можемо да користимо силазни трансформатор као појачавајући трансформатор и обратно?

Да дефинитивно! Сви трансформатори раде са истим основним принципом као што је горе описано. Употреба појачаног трансформатора као силазног трансформатора једноставно значи замену улазних напона на њиховом примарном / секундарном намотају.

На пример, ако имате уобичајени појачавајући трансформатор за напајање који вам даје 12-0-12В излаз са 220В улазног наизменичног напона, можете користити исти трансформатор као појачавајући трансформатор за производњу 220В излаза са 12В наизменичне струје улазни.

Класичан пример је круг претварача , где трансформатори немају ништа посебно у себи. Сви они раде користећи обичне силазне трансформаторе повезане на супротан начин.

Утицај оптерећења

Кад год је терет или електрични уређај закачен преко секундарног намотаја трансформатора, струја или појачала пролазе преко секундарне стране намотаја заједно са оптерећењем.

Магнетни флукс генерисан струјом у секундарном намотају делује у интеракцији са магнетним линијама флукса генерисаним од појачала на примарној страни. Овај сукоб између две линије флукса настаје као резултат заједничке индуктивности између примарног и секундарног намотаја.

Узајамни ток

Апсолутни флукс у материјалу језгра трансформатора преовлађује и у примарном и у секундарном намотају. То је додатно начин на који електрична енергија може да пређе са примарног намотаја на секундарни намотај.

Због чињенице да овај ток уједињује оба намотаја, феномен који је опште познат као МУТУАЛ ФЛУКС. Такође, индуктивитет који генерише овај ток преовлађује на оба намотаја и назива се међусобна индуктивност.

На слици (2) испод приказан је ток који стварају струје у примарном и секундарном намотају трансформатора сваки пут када се напаја струја у примарном намотају.

Слика (2)

Кад год је отпор оптерећења повезан са секундарним намотајем, напон стимулисан у секундарном намотају покреће струју која циркулише у секундарном намотају.

Ова струја производи прстенасте флуксе око секундарног намотаја (означених тачкастим линијама) који могу бити алтернатива пољу флукса око примарног (Ленцов закон).

Због тога флукс око секундарног намотаја поништава већи део флукса око примарног намотаја.

Са мањом количином флукса који окружује примарни намотај, обрнути емф се смањује и више појачала се усисава из напајања. Допунска струја у примарном намотају ослобађа додатне линије флукса, прилично успостављајући почетну количину апсолутних линија флукса.

ОБРАТИ И ТЕКУЋИ ОДНОСИ

Количина линија флукса произведених у трафо језгри пропорционална је сили магнетизирања

(У АМПЕРЕ-ОБРАТИМА) примарног и секундарног намотаја.

Окретање ампера (И к Н) је индикативно за магнетну мотивну силу, може се разумети као магнетомотивну силу коју производи један ампер струје која ради у калему од 1 окрета.

Флукс који је доступан у језгру трансформатора окружује примарни и секундарни намотај.

С обзиром на то да је флукс идентичан за сваки намотај, завој окретаја у сваком, примарном и секундарном намотају увек треба да буде исти.

Из тог разлога:

ИпНп = ИсНс

Где:

ИпНп = ампер / завој у примарном намотају
ИсНс - ампер / завој у секундарном намотају

Дељењем обе стране израза са
Ип , добијамо:
Нп / Нс = Ис / Ип

Од: Ес / Еп = Нс / Нп

Онда: Еп / Ес = Нп / Нс

Такође: Еп / Ес = Ис / Ип

где

• Еп = напон примењен на примар у волтима
• Ес = напон на секундару у волтима
• Ип = струја у примарном појачалу
• Ис = струја у секундару у појачалима

Приметите да једначине указују на то да је однос ампера инверзан намотају или односу завоја, као и однос напона.

То подразумева да трансформатор који има мањи број завоја на секундарној страни у поређењу са примарном може да смањи напон, али би појачао струју. На пример:

Претпоставимо да трансформатор има однос напона 6: 1.

Покушајте да пронађете струју или појачала на секундарној страни ако су струја или појачало на примарној страни 200 милиампера.

Претпоставимо

Еп = 6В (као пример)
Ис = 1В
Ип = 200мА или 0,2Амп
Је =?

Одговор:

Еп / Ес = Ис / Ип

Транспозиција за Ис:

Је = ЕпИп / Ес

Замена:

Ис = (6В к 0,2А) / 1В
Је = 1,2А

Горњи сценарио решава да, упркос чињеници да је напон на секундарном намотају једна шестина од напона на примарном намотају, појачала у секундарном намотају су 6 пута већа од појачала у примарном намотају.

Горе наведене једначине би се врло добро могле сагледати из алтернативне перспективе.

Однос намотаја означава збир кроз који трансформатор појачава или појачава или смањује напон повезан са примарном страном.

Само да илуструјемо, претпоставимо да ако секундарни намотај трансформатора има двоструко већи број завоја од примарног намотаја, напон стимулисан на секундарној страни вероватно ће бити двоструко већи од напона на примарном намотају.

У случају да секундарни намотај носи половину броја завоја примарне стране, напон на секундарној страни биће половина напона на примарном намотају.

Кад се то каже, однос намотаја заједно са односом појачала трансформатора садржи инверзну асоцијацију.

Као резултат, појачавајући трансформатор 1: 2 могао би имати половину појачала на секундарној страни у поређењу са примарном страном. Степен-трансформатор 2: 1 може имати двоструко појачање у секундарном намотају у односу на примарну страну.

Илустрација: Трансформатор са односом намотаја 1:12 поседује 3 ампера струје на секундарној страни. Да сазнате величину појачала у примарном намотају?

Дато:

Нп = 1 окрет (на пример)
Нс = 12 завоја
Ис = 3Амп
Лп =?

Одговор:

Нп / Нс = Ис / Ип

Замена:

Ип = (12 окретаја к 3 амп) / 1 окретање

Ип = 36А

Израчунавање међусобне индуктивности

Међусобна индукција је процес у којем један намотај пролази кроз ЕМФ индукцију због брзине промене струје суседног намотаја што доводи до индуктивне спреге између намотаја.

Другим речима Међусобна индуктивност је однос индуковане ЕМС преко једног намотаја и брзине промене струје на другом намотају, изражен у следећој формули:

М = емф / ди (т) / дт

Фазирање у трансформаторима:

Обично, када испитујемо трансформаторе, већина нас верује да су напон и струје примарног и секундарног намотаја у фази једни с другима. Међутим, ово можда није увек тачно. У трансформаторима, однос између напона, тренутног фазног угла на примарном и секундарном ослања се на то како су ови намотаји окренути око језгра. Зависи од тога да ли су обоје у смеру кретања казаљке на сату или у смеру казаљке на сату, или је један намотај окренут у смеру казаљке на сату, док је други навој у смеру кретања казаљке на сату.

Позовимо се на следеће дијаграме да бисмо разумели како оријентација намотаја утиче на фазни угао:

У горњем примеру, правци намотаја изгледају идентично, тј. И примарни и секундарни намотаји су окренути у смеру казаљке на сату. Због ове идентичне оријентације, фазни угао излазне струје и напона идентичан је фазном углу улазне струје и напона.

У другом примеру горе, може се видети смер намотаја трансформатора намотан са супротном оријентацијом. Као што се може видети да је примар примарни у смеру кретања казаљке на сату, док је секундар намотан у смеру кретања казаљке на сату. Због ове супротне оријентације намотаја, фазни угао између два намотаја је удаљен 180 степени, а индуковани секундарни излаз показује ванфазни одзив струје и напона.

Ознака тачака и Конвенција о тачкама

Да би се избегле забуне, тачкасти запис или конвенција тачака користе се за представљање оријентације намотаја трансформатора. То омогућава кориснику да разуме спецификације улазног и излазног угла фазе, без обзира да ли су примарни и секундарни намотај у фази или ван фазе.

Конвенција о тачкама примењена је тачкама преко почетне тачке намотаја, показујући да ли су намотаји међусобно у фази или ван фазе.

Следећа шема трансформатора носи ознаку конвенционалне тачке и означава да су примарни и секундарни трансформатор у међусобној фази.

Ознаке тачака коришћене на доњој илустрацији показују ДОТ-ове постављене преко супротних тачака примарног и секундарног намотаја. То указује на то да оријентација намотавања двеју страна није иста и према томе ће фазни угао преко два намотаја бити 180 степени ван фазе када се на један од намотаја примени улаз наизменичне струје.

Губици у стварном трансформатору

Прорачуни и формуле размотрени у горњим параграфима засновани су на идеалном трансформатору. Међутим, у стварном свету и за прави трансформатор, сценарио може бити много другачији.

Открићете да ће се у идеалном дизајну занемарити следећи основни линеарни фактори стварних трансформатора:

(а) Многе врсте губитака језгра, заједно познате као губици струје магнетизирања, који могу укључивати следеће врсте губитака:

• Губици код хистерезе: ово је узроковано нелинеарним утицајима магнетног флукса на језгро трансформатора.
• Губици вртложне струје: Овај губитак настаје услед појаве која се назива џул грејање у језгру трансформатора. Пропорционално је квадрату напона који се примењује на примар трансформатора.

(б) За разлику од идеалног трансформатора, отпор намотаја у стварном трансформатору никада не може имати нулти отпор. Што значи да ће намотај на крају имати одређени отпор и индуктивности повезане с њима.

• Џулов губици: Као што је горе објашњено, отпор који се ствара преко терминала намотаја доводи до Јоулеових губитака.
• Ток цурења: Знамо да трансформатори у великој мери зависе од магнетне индукције преко њиховог намотаја. Међутим, пошто су намотаји изграђени на заједничком једном језгру, магнетни флукс показује тенденцију цурења преко намотаја кроз језгро. То доводи до импедансе која се назива примарна / секундарна реактивна импеданса, што доприноси губицима трансформатора.

(ц) Будући да је трансформатор такође врста индуктора, на њега утичу и појаве попут паразитске капацитивности и саморезонанце, због расподеле електричног поља. Ови паразитски капацитети обично могу бити у 3 различита облика како је дато у наставку:

• Капацитет створен између завоја један изнад другог унутар једног слоја
• Капацитет генерисан на два или више суседних слојева
• Капацитет створен између језгра трансформатора и слоја (а) намотаја који лежи уз језгро

Закључак

Из горње расправе можемо схватити да у практичним применама рачунање трансформатора, посебно трансформатор од гвозденог језгра можда није тако једноставан као што би био идеалан трансформатор.

Да бисмо добили најтачније резултате за податке о намотају, можда ћемо морати узети у обзир многе факторе као што су: густина флукса, површина језгра, величина језгра, ширина језика, површина прозора, врста материјала језгра итд.

Можете сазнати више о свим овим прорачунима испод овог поста: