Как работят трансформаторите

Съгласно дефиницията, дадена в Уикипедия електрическият трансформатор е стационарно оборудване, което обменя електрическа мощност в няколко тясно навити намотки чрез магнитна индукция.

Постоянно променящият се ток в една намотка на трансформатора генерира променлив магнитен поток, който, следователно, индуцира променлива електромоторна сила над втора намотка, изградена върху същото ядро.

Основен принцип на работа

Трансформаторите основно работят чрез предаване на електрическа мощност между двойка намотки чрез взаимна индукция, без да зависи от каквато и да е форма пряк контакт между двете намотки.

Този процес на прехвърляне на електричество чрез индукция е доказан за първи път от закона на Фарадей за индукцията, през 1831 г. Съгласно този закон индуцираното напрежение в две намотки се създава поради различен магнитен поток, заобикалящ намотката.

Основната функция на трансформатора е да засили или понижи променливо напрежение / ток в различни пропорции според изискванията на приложението. Пропорциите се определят от броя на завъртанията и коефициента на завъртане на намотката.

Анализиране на идеален трансформатор

Можем да си представим идеалния трансформатор да бъде хипотетичен дизайн, който може да бъде практически без никакви форми на загуби. Освен това този идеален дизайн може да има своята първична и вторична намотка перфектно свързани помежду си.

Това означава, че магнитната връзка между двете намотки е през сърцевина, чиято магнитна пропускливост е безкрайна и с индуктивност на намотките с обща нулева магнитомотивна сила.

Знаем, че в трансформатора приложеният променлив ток в първичната намотка се опитва да наложи променлив магнитен поток в сърцевината на трансформатора, който включва и обградената около него вторична намотка.

Поради този променлив поток, електромоторната сила (ЕМП) се индуцира върху вторичната намотка чрез електромагнитна индукция. Това води до генериране на поток върху вторичната намотка с величина, която е противоположна, но равна на потока на първичната намотка, според Законът на Ленц .

Тъй като сърцевината носи безкрайна магнитна пропускливост, целият (100%) магнитен поток може да се прехвърли през двете намотки.

Това означава, че когато първичната част е подложена на източник на променлив ток и към клемите на вторичната намотка е свързан товар, токът протича през съответната намотка в посоки, както е показано на следващата диаграма. При това състояние магнитомотивната сила на сърцевината се неутрализира до нула.

С любезното съдействие на изображението: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

В този идеален дизайн на трансформатора, тъй като преносът на поток през първичната и вторичната намотка е 100%, според закона на Фарадей индуцираното напрежение на всяка от намотките ще бъде напълно пропорционално на броя на завъртанията на намотката, както е показано в следващото фигура:

Тестово видео за проверка на линейната връзка между съотношението на първичен / вторичен завой.

ОБОРОТИ И СЪОТНОШЕНИЯ НА НАПРЕЖЕНИЕ

Нека се опитаме да разберем подробно изчисленията на коефициента на завъртане:

Нетната величина на напрежението, индуцирано от първичната към вторичната намотка, просто се определя от съотношението на броя на навивките, навити върху първичната и вторичната секции.

Това правило обаче се прилага само ако трансформаторът е близо до идеален трансформатор.

Идеален трансформатор е този трансформатор, който има незначителни загуби под формата на кожен ефект или вихрови ток.

Нека вземем примера на фигура 1 по-долу (за идеален трансформатор).

Да предположим, че първичната намотка се състои от около 10 оборота, докато вторичната само с една намотка. Поради електромагнитната индукция линиите на потока, генерирани през първичната намотка в отговор на входния променлив ток, се разширяват и сриват последователно, прерязвайки 10-те завоя на първичната намотка. Това води до точно пропорционално количество напрежение, индуцирано върху вторичната намотка в зависимост от коефициента на завъртане.

Намотката, която е снабдена с променлив вход, се превръща в първична намотка, докато допълващата намотка, която произвежда изхода чрез магнитна индукция от първичната, се превръща във вторична намотка.

Фигура 1)

Тъй като вторичният има само един завой, той изпитва пропорционален магнитен поток през целия си завой спрямо 10-те завъртания на първичния.

Следователно, тъй като напрежението, приложено към първичната част, е 12 V, тогава всяка от нейните намотки ще бъде подложена на брояч EMF от 12/10 = 1,2 V и точно това е величината на напрежението, което би повлияло на единичния завой, присъстващ през вторичната секция. Това е така, защото има единична намотка, която може да извлече само същото еквивалентно количество индукция, което може да бъде на разположение през единичния завой над първичната.

По този начин вторичният с едно завъртане би могъл да извлече 1.2V от основния.

Горното обяснение показва, че броят на завъртанията на първичен трансформатор съответства линейно на захранващото напрежение през него и напрежението просто се разделя на броя на завъртанията.

По този начин в горния случай, тъй като напрежението е 12V и броят на завоите е 10, нетният брояч EMF, индуциран над всеки от завоите, ще бъде 12/10 = 1.2V

Пример # 2

Сега нека визуализираме фигура 2 по-долу, тя показва подобен тип конфигурация като на фигура1. очаквайте вторичната, която сега има 1 допълнителен завой, т.е. 2 броя завъртания.

Излишно е да казвам, че сега вторичният ще премине през двойно повече линии на потока в сравнение с условието от фигура 1, което е имало само един завой.

Така че тук вторичната намотка ще отчете около 12/10 x 2 = 2.4V, тъй като двата завоя ще бъдат повлияни от величина на брояча EMF, която може да бъде еквивалентна на двете намотки от първичната страна на трафото.

Следователно от горната дискусия като цяло можем да заключим, че в трансформатора връзката между напрежението и броя на завъртанията през първичната и вторичната са доста линейни и пропорционални.

Номера на завой на трансформатора

Така получената формула за изчисляване на броя на завъртанията за всеки трансформатор може да бъде изразена като:

Es / Ep = Ns / Np

където,

• Es = вторично напрежение ,
• Ep = първично напрежение,
• Ns = Брой вторични завои,
• Np = Брой първични завои.

Съотношение на първичен вторичен завой

Би било интересно да се отбележи, че горната формула показва пряка връзка между съотношението на вторичното към първичното напрежение и вторичното към първичния брой завъртания, които са посочени като пропорционални и равни.

Следователно горното уравнение може да бъде изразено и като:

Ep x Ns = Es x Np

Освен това можем да изведем горната формула за решаване на Es и Ep, както е показано по-долу:

Es = (Ep x Ns) / Np

по същия начин,

Ep = (Es x Np) / Ns

Горното уравнение показва, че ако има налични 3 величини, четвъртата величина може лесно да бъде определена чрез решаване на формулата.

Решаване на практически проблеми с навиването на трансформатора

Пример в точка # 1: Трансформаторът има 200 броя завъртания в първичната секция, 50 броя завъртания във вторичната и 120 волта, свързани през първичната (Ep). Какво може да бъде напрежението на вторичния (E)?

Като се има предвид:

• Np = 200 завъртания
• Ns = 50 завъртания
• Ep = 120 волта
• Е =? волта

Отговор:

Es = EpNs / Np

Заместване:

Es = (120V x 50 оборота) / 200 оборота

Es = 30 волта

Пример в точка # 2 : Да предположим, че имаме 400 броя завъртания на тел в намотка с желязна сърцевина.

Ако приемем, че е необходимо да се използва намотка като първична намотка на трансформатор, изчислете броя на завоите, които трябва да се навият на намотката, за да се получи вторичната намотка на трансформатора, за да се осигури вторично напрежение от един волт при ситуация, при която първичната напрежението е 5 волта?

Като се има предвид:

• Np = 400 оборота
• Ep = 5 волта
• Es = 1 волта
• Ns =? завои

Отговор:

EpNs = EsNp

Транспониране за Ns:

Ns = EsNp / Ep

Заместване:

Ns = (1V x 400 оборота) / 5 волта

Ns = 80 оборота

Имай предвид: Съотношението на напрежението (5: 1) е еквивалентно на съотношението на намотката (400: 80). Понякога, като заместител на определени стойности, вие се оказвате назначени с коефициент на завой или напрежение.

В такива случаи можете просто да приемете произволно число за едно от напреженията (или намотката) и да определите другата алтернативна стойност от съотношението.

Като илюстрация, да предположим, че съотношението на навиване е присвоено като 6: 1, можете да си представите количество завой за първичната секция и да разберете еквивалентния вторичен брой завои, като използвате подобни пропорции като 60:10, 36: 6, 30: 5 и т.н.

Трансформаторът във всички горепосочени примери носи по-малък брой завои във вторичната секция в сравнение с първичната секция. Поради тази причина можете да намерите по-малко количество напрежение през вторичната част на трафото, а не през основната страна.

Какво представляват стъпкови и понижаващи трансформатори

Трансформатор с номинално напрежение на вторичната страна, по-ниско от номиналното напрежение на първичната страна, се нарича a СТЪПКА НАДОЛУ трансформатор .

Или, алтернативно, ако входът за променлив ток е приложен към намотката, която има по-голям брой завъртания, тогава трансформаторът действа като понижаващ трансформатор.

Съотношението на понижаващ трансформатор четири към един е записано като 4: 1. Трансформатор, който включва по-малък брой завъртания в първичната страна в сравнение с вторичната страна, ще генерира по-високо напрежение във вторичната страна в сравнение с напрежението, свързано през първичната страна.

Трансформатор, който има вторична страна, номинално над напрежението на първичната страна, се нарича STEP-UP трансформатор. Или, като алтернатива, ако AC входът е приложен към намотка, която има по-малък брой завъртания, тогава трансформаторът действа като повишаващ трансформатор.

Съотношението на трансформатора за увеличаване един към четири трябва да бъде записано като 1: 4. Както можете да видите в двете съотношения, че величината на първичната странична намотка е упомената последователно в началото.

Можем ли да използваме понижаващ трансформатор като стъпков трансформатор и обратната версия?

Да, определено! Всички трансформатори работят със същия основен принцип, както е описано по-горе. Използването на повишаващ трансформатор като понижаващ трансформатор просто означава размяна на входните напрежения в тяхната първична / вторична намотка.

Например, ако имате обикновен трансформатор за увеличаване на захранването, който ви осигурява 12-0-12V изход от 220V входящ AC, можете да използвате същия трансформатор като повишаващ трансформатор за производство на 220V изход от 12V AC вход.

Класически пример е инверторна верига , където трансформаторите нямат нищо специално в себе си. Всички те работят с обикновените понижаващи трансформатори, свързани по обратния начин.

Въздействие на товара

Когато товар или електрическо устройство са закачени през вторичната намотка на трансформатор, ток или усилватели преминават през вторичната страна на намотката заедно с товара.

Магнитният поток, генериран от тока във вторичната намотка, взаимодейства с магнитните линии на потока, генерирани от усилвателите в първичната страна. Този конфликт между двете линии на потоците се генерира в резултат на споделената индуктивност между първичната и вторичната намотка.

Взаимен поток

Абсолютният поток в основния материал на трансформатора е преобладаващ както за първичната, така и за вторичната намотка. Освен това е начин, чрез който електрическата енергия може да мигрира от първичната намотка към вторичната намотка.

Поради факта, че този поток обединява и двете намотки, феноменът, известен като ВЗАИМЕН ПОТОК. Също така индуктивността, която генерира този поток, е преобладаваща и за двете намотки и се нарича взаимна индуктивност.

Фигура (2) по-долу показва потока, създаден от токовете в първичната и вторичната намотка на трансформатора всеки път, когато захранващият ток е включен в първичната намотка.

Фигура (2)

Всеки път, когато съпротивлението на натоварването е свързано към вторичната намотка, напрежението, стимулирано във вторичната намотка, задейства тока, който да циркулира във вторичната намотка.

Този ток създава поточни пръстени около вторичната намотка (обозначени като пунктирани линии), които могат да бъдат алтернатива на полето на потока около първичната (законът на Ленц).

Следователно, потокът около вторичната намотка отменя по-голямата част от потока около първичната намотка.

С по-малко количество поток, обграждащ първичната намотка, обратната ЕРС се намалява и повече усилватели се изсмукват от захранването. Допълнителният ток в първичната намотка освобождава допълнителни линии на потока, почти възстановявайки първоначалното количество абсолютни линии на потока.

ОБОРОТИ И ТЕКУЩИ КОЕФИЦИЕНТИ

Количеството поточни линии, произведени в трафо сърцевината, е пропорционално на магнетизиращата сила

(НА АМПЕР-ОБОРОТИ) на първичната и вторичната намотки.

Завъртането на ампера (I x N) е показателно за магнитната движеща сила, може да се разбере, че е магнитомотивната сила, произведена от един ампер ток, работещ в бобина от 1 оборот.

Потокът, който се предлага в сърцевината на трансформатора, заобикаля първичната и вторичната намотки.

Като се има предвид, че потокът е идентичен за всяка намотка, ампер-оборотите във всяка, първична и вторична намотка винаги трябва да са еднакви.

Поради това:

IpNp = IsNs

Където:

IpNp = ампер / обороти в първичната намотка
IsNs - ампер / обороти във вторичната намотка

Чрез разделяне на двете страни на израза на
Ip , получаваме:
Np / Ns = Is / Ip

от: Es / Ep = Ns / Np

Тогава: Ep / Es = Np / Ns

Също: Ep / Es = Is / Ip

където

• Ep = напрежение, приложено през първичен във волта
• Es = напрежение на вторичния във волта
• Ip = ток в основния в усилвател
• Is = ток във вторичния в усилватели

Обърнете внимание, че уравненията показват, че съотношението на ампера е обратното на намотката или коефициента на завъртане, както и отношението на напрежението.

Това предполага, че трансформаторът, притежаващ по-малък брой завъртания във вторичната страна в сравнение с първичната, може да намали напрежението, но би увеличил тока. Например:

Да предположим, че трансформаторът има съотношение на напрежение 6: 1.

Опитайте се да намерите тока или усилвателите във вторичната страна, ако токът или усилвателят в основната страна са 200 милиампера.

Да предположим

Ep = 6V (като пример)
Е = 1V
Ip = 200mA или 0.2Amps
Е =?

Отговор:

Ep / Es = Is / Ip

Транспониране за Is:

Is = EpIp / Es

Заместване:

Is = (6V x 0.2A) / 1V
Е = 1,2А

Горният сценарий разглежда, че въпреки факта, че напрежението на вторичната намотка е една шеста от напрежението на първичната намотка, усилвателите във вторичната намотка са 6 пъти по-големи от усилвателите в първичната намотка.

Горните уравнения много добре биха могли да се разглеждат от алтернативна перспектива.

Съотношението на намотката означава сумата, през която трансформаторът усилва, усилва или намалява напрежението, свързано към първичната страна.

Само за илюстрация, да предположим, че ако вторичната намотка на трансформатора има двойно по-голям брой завъртания, отколкото първичната намотка, напрежението, стимулирано във вторичната страна, вероятно ще бъде два пъти по-голямо от напрежението на първичната намотка.

В случай, че вторичната намотка носи половината от броя завъртания на първичната страна, напрежението на вторичната страна ще бъде половината от напрежението на първичната намотка.

Като се има предвид това, коефициентът на намотка, заедно с коефициента на усилвател на трансформатора, включват обратна асоциация.

В резултат на това трансформаторът за повишаване 1: 2 може да има половината усилвател във вторичната страна в сравнение с първичната страна. Понижаващият трансформатор 2: 1 може да има два пъти усилвателя във вторичната намотка спрямо първичната страна.

Илюстрация: Трансформатор с коефициент на намотка 1:12 притежава 3 ампера ток във вторичната страна. Разберете величината на ампера в първичната намотка?

Като се има предвид:

Np = 1 завой (например)
Ns = 12 завъртания
Is = 3Amp
Lp =?

Отговор:

Np / Ns = Is / Ip

Заместване:

Ip = (12 оборота x 3 Amp) / 1 завъртане

Ip = 36А

Изчисляване на взаимната индуктивност

Взаимната индукция е процес, при който една намотка преминава през индукция на ЕМП поради скоростта на променящ се ток на съседната намотка, водеща до индуктивно свързване между намотката.

С други думи Взаимна индуктивност е отношението на индуцираната едс в едната намотка към скоростта на промяна на тока на другата намотка, изразена в следната формула:

M = emf / di (t) / dt

Постепенно трансформиране:

Обикновено, когато изследваме трансформатори, повечето от нас вярват, че напрежението и токовете на първичната и вторичната намотка са във фаза помежду си. Това обаче може да не е винаги вярно. В трансформаторите връзката между напрежението, фазовия ъгъл на тока през първичния и вторичния разчита на това как тези намотки са обърнати около сърцевината. Зависи дали и двете са в посока, обратна на часовниковата стрелка, или по посока на часовниковата стрелка, или може едната намотка да се завърти по посока на часовниковата стрелка, докато другата намотка е обратно на часовниковата стрелка.

Нека се обърнем към следните диаграми, за да разберем как ориентацията на намотката влияе на фазовия ъгъл:

В горния пример посоките на намотките изглеждат еднакви, т.е. както първичната, така и вторичната намотка са обърнати по посока на часовниковата стрелка. Поради тази идентична ориентация, фазовият ъгъл на изходния ток и напрежение е идентичен с фазовия ъгъл на входния ток и напрежение.

Във втория пример по-горе, посоката на намотката на трансформатора може да се види навита с противоположна ориентация. Както може да се види, първичният изглежда е по посока на часовниковата стрелка, докато вторичният е навит обратно на часовниковата стрелка. Поради тази противоположна ориентация на намотката, фазовият ъгъл между двете намотки е на 180 градуса един от друг, а индуцираният вторичен изход показва отклонение от фазовия ток и напрежение.

Обозначение на точки и Конвенция за точки

За да се избегнат обърквания, се използва точка нотация или точка точка, за да се представи ориентацията на навиване на трансформатор. Това позволява на потребителя да разбере входните и изходните характеристики на фазовия ъгъл, независимо дали първичната и вторичната намотка са във фаза или са извън фазата.

Точковата конвенция се прилага чрез точки в началната точка на намотката, указващи дали намотката е във фаза или е извън фаза помежду си.

Следващата схема на трансформатора носи обозначение на конвенционална точка и означава, че първичният и вторичният трансформатор са във фаза един с друг.

Обозначението с точки, използвано на илюстрацията по-долу, показва ДОТОВЕ, поставени в противоположните точки на първичната и вторичната намотка. Това показва, че ориентацията на намотката на двете страни не е еднаква и следователно фазовият ъгъл на двете намотки ще бъде 180 градуса извън фазата, когато на една от намотките се прилага променлив вход.

Загуби в истински трансформатор

Изчисленията и формулите, разгледани в горните параграфи, се основаваха на идеален трансформатор. Въпреки това в реалния свят и за истинския трансформатор сценарият може да е доста по-различен.

Ще откриете, че в идеален дизайн следните основни линейни фактори на реални трансформатори ще бъдат игнорирани:

(а) Много видове загуби на сърцевината, известни заедно като намагнитващи токови загуби, които могат да включват следните видове загуби:

• Загуби от хистерезис: това се причинява поради нелинейни влияния на магнитния поток върху сърцевината на трансформатора.
• Загуби от вихрови токове: Тази загуба се генерира поради явлението, наречено джаулово нагряване в сърцевината на трансформатора. Той е пропорционален на квадрата на напрежението, приложено към първичната част на трансформатора.

(б) За разлика от идеалния трансформатор, съпротивлението на намотката в реален трансформатор никога не може да има нулево съпротивление. Това означава, че намотката в крайна сметка ще има някакво съпротивление и индуктивност, свързани с тях.

• Джоулеви загуби: Както е обяснено по-горе, съпротивлението, генерирано през клемите за навиване, поражда Джоулеви загуби.
• Поток на течове: Знаем, че трансформаторите силно зависят от магнитната индукция в тяхната намотка. Тъй като обаче намотката е изградена върху обща единична сърцевина, магнитният поток показва тенденция на изтичане през намотката през сърцевината. Това води до импеданс, наречен първичен / вторичен реактивен импеданс, който допринася за загубите на трансформатора.

(в) Тъй като трансформаторът е и вид индуктор, той също се влияе от явление като паразитен капацитет и саморезонанс, поради разпределението на електрическото поле. Тези паразитни капацитети обикновено могат да бъдат в 3 различни форми, както е дадено по-долу:

• Капацитет, генериран между завоите един над друг вътре в един слой
• Капацитет, генериран в два или повече съседни слоя
• Капацитет, създаден между сърцевината на трансформатора и намотаващия слой (слоеве), разположен в непосредствена близост до сърцевината

Заключение

От горната дискусия можем да разберем, че в практическите приложения, изчисляващи трансформатор, особено трансформаторът с желязна сърцевина може да не е толкова прост, колкото би бил идеалният трансформатор.

За да получим най-точните резултати за данните за навиването, може да се наложи да вземем предвид много фактори като: плътност на потока, площ на сърцевината, размер на сърцевината, ширина на езика, площ на прозореца, тип материал на сърцевината и т.н.

Можете да научите повече за всички тези изчисления под този пост: