Sådan fungerer transformere

Sådan fungerer transformere

I henhold til definitionen i Wikipedia en elektrisk transformer er et stationært udstyr, der udveksler elektrisk kraft gennem et par tæt viklede spoler gennem magnetisk induktion.



En konstant ændrende strøm i en vikling af transformeren genererer en varierende magnetisk flux, som følgelig inducerer en varierende elektromotorisk kraft over en anden spole bygget over den samme kerne.

Grundlæggende arbejdsprincip

Transformere fungerer grundlæggende ved at overføre elektrisk strøm mellem et par spoler gennem gensidig induktion uden at være afhængig af nogen form for direkte kontakt mellem de to viklinger.





Denne proces med overførsel af elektricitet gennem induktion blev først bevist af Faradays lov om induktion i år 1831. Ifølge denne lov skabes den inducerede spænding over to spoler på grund af en varierende magnetisk flux, der omgiver spolen.

Den grundlæggende funktion af en transformer er at træde op eller ned på en vekselstrøm / strøm i forskellige proportioner i henhold til kravene i applikationen. Proportionerne bestemmes af antallet af sving og drejningsforhold for viklingen.



Analyse af en ideel transformer

Vi kan forestille os, at en ideel transformer er et hypotetisk design, der næsten kan være uden nogen form for tab. Desuden kan dette ideelle design have sin primære og sekundære vikling perfekt koblet med hinanden.

Det betyder, at den magnetiske binding mellem de to viklinger er gennem en kerne, hvis magnetiske permeabilitet er uendelig og med viklingsinduktanser ved en samlet magnetomotorisk nulkraft.

Vi ved, at i en transformer forsøger den påførte vekselstrøm i primærviklingen at håndhæve en varierende magnetisk flux inden i kernen af ​​transformatoren, som også inkluderer sekundærviklingen omgivet af den.

På grund af denne varierende strømning induceres en elektromotorisk kraft (EMF) på sekundærviklingen gennem elektromagnetisk induktion. Dette resulterer i dannelsen af ​​flux på sekundærviklingen med en størrelse, der er modsat, men lig med den primære viklingsstrøm, ifølge Lenz'z lov .

Da kernen bærer en uendelig magnetisk permeabilitet, er hele (100%) magnetiske flux i stand til at blive overført over de to viklinger.

Dette indebærer, at når den primære udsættes for en vekselstrømskilde, og en belastning er forbundet til de sekundære viklingsklemmer, strømmer strømmen gennem den respektive vikling i retninger som angivet i det følgende diagram. I denne tilstand neutraliseres kernemagnetkraften til nul.

Billede med tilladelse: https://commons.wikimedia.org/wiki/Fil:Transformer3d_col3.svg

I dette ideelle transformer-design, da overførslen af ​​flux over den primære og sekundære vikling er 100%, ifølge Faradays lov vil den inducerede spænding på hver af viklingene være perfekt proportional med antallet af viklinger af viklingen, som vist i det følgende figur:

Transformer drejningsforholdsberegning i henhold til Faraday

Test video, der verificerer det lineære forhold mellem primær / sekundær svingforhold.

TURNER OG SPÆNDINGSFORHOLD

Lad os prøve at forstå drejningsforholdsberegningerne i detaljer:

Nettostørrelsen af ​​spænding induceret fra den primære til den sekundære vikling bestemmes simpelthen af ​​forholdet mellem antallet af drejninger viklet over den primære og den sekundære sektion.

Denne regel gælder dog kun, hvis transformeren er tæt på en ideel transformer.

En ideel transformer er den transformer, der har ubetydelige tab i form af hudeffekt eller hvirvelstrøm.

Lad os tage eksemplet på figur 1 nedenfor (for en ideel transformer).

Antag, at den primære vikling består af omkring 10 omdrejninger, mens den sekundære med kun en enkelt drejning. På grund af elektromagnetisk induktion strømmes fluxlinierne, der genereres over den primære vikling som reaktion på indgangsstrømmen, skiftevis og kollapser og skærer gennem de 10 omdrejninger af den primære vikling. Dette resulterer i, at en nøjagtig proportionel mængde spænding er induceret over sekundærviklingen afhængigt af drejningsforholdet.

Den vikling, der forsynes med vekselstrømsindgang, bliver den primære vikling, mens den supplerende vikling, der producerer output gennem magnetisk induktion fra den primære, bliver den sekundære vikling.

Figur 1)

Da den sekundære kun har en enkelt drejning, oplever den en forholdsmæssig magnetisk flux over sin enkelt drejning i forhold til de 10 omdrejninger af den primære.

Da spændingen, der påføres over primæren, er 12 V, vil hver af dens viklinger derfor blive udsat for en tæller-EMF på 12/10 = 1,2 V, og dette er nøjagtigt størrelsen af ​​spændingen, der vil påvirke den enkelt drejning, der er til stede den sekundære sektion. Dette skyldes, at den har en enkelt vikling, som kun er i stand til at udtrække den samme ækvivalente mængde induktion, som muligvis er tilgængelig over den enkelte omdrejning over den primære.

Således ville den sekundære med en enkelt omgang være i stand til at trække 1,2V ud af den primære.

Ovenstående forklaring indikerer, at antallet af omdrejninger over en primær transformer svarer lineært til forsyningsspændingen over den, og spændingen bliver simpelthen divideret med antallet af omdrejninger.

I ovennævnte tilfælde, da spændingen er 12V, og antallet af omdrejninger er 10, ville nettotælleren EMF induceret over hver af drejningerne være 12/10 = 1,2V

Eksempel 2

Lad os nu visualisere figur 2 nedenfor, den viser en lignende konfigurationstype som i figur 1. forvent det sekundære, som nu har 1 ekstra drejning, det vil sige 2 antal drejninger.

Det er overflødigt at sige, at det sekundære nu ville gå igennem dobbelt så mange fluxlinjer i forhold til figur 1-tilstand, der kun havde en enkelt drejning.

Så her ville sekundærviklingen læse omkring 12/10 x 2 = 2,4V, fordi de to drejninger ville blive påvirket af en størrelse på mod EMF, der kan være ækvivalent over de to viklinger på den primære side af trafo.

Derfor kan vi fra ovenstående diskussion generelt konkludere, at i en transformer er forholdet mellem spændingen og antallet af drejninger over det primære og det sekundære ret lineært og proportionalt.

Transformer Turn Numbers

Den afledte formel til beregning af antallet af omdrejninger for en hvilken som helst transformer kan således udtrykkes som:

Es / Ep = Ns / Np

hvor,

  • Es = Sekundær spænding ,
  • Ep = Primær spænding,
  • Ns = Antal sekundære sving,
  • Np = Antal primære omdrejninger.

Primær sekundær svingforhold

Det ville være interessant at bemærke, at ovenstående formel angiver en ligetil relation mellem forholdet mellem sekundær og primær spænding og sekundær til primær antal omdrejninger, som er angivet til at være proportionale og lige.

Derfor kan ovenstående ligning også udtrykkes som:

Ep x Ns = Es x Np

Længere frem kan vi udlede ovenstående formel til løsning af Es og Ep som vist nedenfor:

Es = (Ep x Ns) / Np

på samme måde

Ep = (Es x Np) / Ns

Ovenstående ligning viser, at hvis der er 3 størrelser tilgængelige, kan den fjerde størrelse let bestemmes ved at løse formlen.

Løsning af praktiske problemer med transformatorvikling

Sag i punkt 1: En transformator har 200 antal omdrejninger i den primære sektion, 50 antal omdrejninger i den sekundære og 120 volt forbundet over den primære (Ep). Hvad kan være spændingen på tværs af sekundæren (E s)?

Givet:

  • Np = 200 omdrejninger
  • Ns = 50 omdrejninger
  • Ep = 120 volt
  • Er =? volt

Svar:

Es = EpNs / Np

Udskiftning:

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

Es = 30 volt

Sag i punkt 2 : Antag, at vi har 400 antal omdrejninger af wire i en jernkernspiral.

Forudsat at det er nødvendigt, at der anvendes en spole som primærvikling af en transformer, Beregn antallet af drejninger, der skal vikles på spolen for at erhverve sekundærviklingen af ​​transformeren for at sikre en sekundær spænding på en volt med en situation, hvor den primære spænding er 5 volt?

Givet:

  • Np = 400 omdrejninger
  • Ep = 5 volt
  • Es = 1 volt
  • Ns =? drejninger

Svar:

EpNs = EsNp

Transponering for Ns:

Ns = EsNp / Ep

Udskiftning:

Ns = (1V x 400 omdrejninger) / 5 volt

Ns = 80 omdrejninger

Husk på: Forholdet mellem spændingen (5: 1) svarer til viklingsforholdet (400: 80). Lejlighedsvis, som en erstatning for bestemte værdier, finder du dig selv tildelt et drejnings- eller spændingsforhold.

I tilfælde som dette kan du ganske enkelt antage et vilkårligt tal for en af ​​spændingerne (eller viklingen) og regne den anden alternative værdi ud fra forholdet.

Antag som en illustration, antag at et viklingsforhold er tildelt 6: 1, du kan forestille dig en mængde drejning for det primære afsnit og finde ud af det tilsvarende sekundære antal drejninger ved at bruge lignende proportioner som 60:10, 36: 6, 30: 5 osv.

Transformatoren i alle ovenstående eksempler bærer et mindre antal drejninger i den sekundære sektion sammenlignet med den primære sektion. Af den grund kan du finde en mindre mængde spænding på tværs af den sekundære del af trafo snarere end på tværs af den primære side.

Hvad er Step-up og Step-Down Transformers

En transformer, der har den sekundære sidespænding, der er lavere end den primære sidespænding, kaldes a TRIN-NED transformer .

Eller alternativt, hvis AC-indgangen påføres viklingen, der har et højere antal omdrejninger, fungerer transformeren som en nedadgående transformer.

Forholdet mellem en fire-til-en nedadgående transformer er indskrevet som 4: 1. En transformer, der inkluderer færre antal omdrejninger på den primære side sammenlignet med den sekundære side, vil generere en højere spænding over den sekundære side sammenlignet med den spænding, der er forbundet over den primære side.

En transformer, der har en sekundær side, der er klassificeret over spændingen over den primære side, kaldes en STEP-UP-transformer. Eller alternativt, hvis vekselstrømsindgangen anvendes til en vikling, der har et lavere antal omdrejninger, fungerer transformeren som en step-up transformer.

Forholdet mellem en en-til-fire trin-op-transformer skal være indskrevet som 1: 4. Som du kan se i de to forhold, at størrelsen af ​​den primære sidevikling konsekvent nævnes i starten.

Kan vi bruge en step-down transformer som en step-up transformer og vice versa?

Ja helt sikkert! Alle transformatorer arbejder med det samme grundlæggende princip som beskrevet ovenfor. Brug af en step-up transformer som en step-down transformer betyder simpelthen at bytte indgangsspændingerne over deres primære / sekundære vikling.

For eksempel, hvis du har en almindelig strømforsyning step-up transformer, der giver dig en 12-0-12V output fra en 220V input AC, kan du bruge den samme transformer som en step up transformer til at producere 220V output fra en 12V AC input.

Et klassisk eksempel er en inverter kredsløb , hvor transformatorerne ikke har noget særligt i sig. De arbejder alle ved hjælp af de almindelige nedadgående transformere, der er tilsluttet på den modsatte måde.

Effekt af belastning

Hver gang en belastning eller et elektrisk udstyr er tilsluttet på tværs af en transformers sekundære vikling, løber strøm eller forstærkere over den sekundære side af viklingen sammen med belastningen.

Den magnetiske flux, der genereres af strømmen i sekundærviklingen, interagerer med de magnetiske fluxlinjer, der genereres af forstærkere på den primære side. Denne konflikt mellem de to linjer af flux genereres som et resultat af den delte induktans mellem den primære og sekundære vikling.

Gensidig strømning

Den absolutte strøm i transformatorens kernemateriale er fremherskende for både de primære og sekundære viklinger. Det er desuden en måde, hvorigennem elektrisk kraft er i stand til at migrere fra primærviklingen til sekundærviklingen.

På grund af det faktum, at denne flux forener begge viklingerne, er fænomenet almindeligvis kendt som MUTUAL FLUX. Induktansen, der genererer denne flux, er også udbredt for begge viklinger og kaldes gensidig induktans.

Figur (2) nedenfor viser strømmen skabt af strømmen i den primære og sekundære vikling af en transformer hver gang forsyningsstrøm tændes i den primære vikling.

Figur (2)

Når belastningsmodstanden er forbundet til sekundærviklingen, udløser spændingen, der stimuleres i sekundærviklingen, strøm til at cirkulere i sekundærviklingen.

Denne strøm producerer en fluxringe omkring den sekundære vikling (angivet som stiplede linjer), der kan være et alternativ til fluxfeltet omkring den primære (Lenzs lov).

Følgelig annullerer strømmen omkring sekundærviklingen det meste af strømmen omkring den primære vikling.

Med en mindre mængde flux, der omgiver den primære vikling, skæres den omvendte emf ned, og mere forstærker suges fra forsyningen. Den supplerende strøm i den primære vikling frigiver yderligere fluxlinjer, hvilket stort set genopretter den oprindelige mængde absolutte fluxlinjer.

TURNER OG AKTUELE FORHOLD

Mængden af ​​fluxledninger produceret i en trafo-kerne er proportional med magnetiseringskraften

(I AMPERE-TURNS) af de primære og sekundære viklinger.

Ampere-drejningen (I x N) er en indikation af magnetomotivkraft, det kan forstås at være den magnetmotorkraft, der produceres af en ampere med strøm, der kører i en spole på 1 omdrejning.

Fluxen, der er tilgængelig i kernen i en transformer, omgiver de primære og sekundære viklinger sammen.

Da fluxen er identisk for hver vikling, bør ampere-svingene i hver, primær og sekundær vikling altid være den samme.

Af den grund:

IpNp = IsNs

Hvor:

IpNp = ampere / drejninger i primærviklingen
IsNs - ampere / sving i sekundærviklingen

Ved at dele begge sider af udtrykket med
Ip , vi får:
Np / Ns = Is / Ip

siden: Es / Ep = Ns / Np

Derefter: Ep / Es = Np / Ns

Også: Ep / Es = Is / Ip

hvor

  • Ep = spænding påført over primær i volt
  • Es = spænding over sekundærstrømmen i volt
  • Ip = strøm i den primære i Amp
  • Er = strøm i sekundær i forstærkere

Vær opmærksom på, at ligningerne angiver, at ampereforholdet er det omvendte af viklingen eller drejningsforholdet såvel som spændingsforholdet.

Dette indebærer, at en transformer, der har færre antal omdrejninger på den sekundære side sammenlignet med den primære, kan trænge ned i spændingen, men den vil øge strømmen. For eksempel:

En transformer antager, at den har et spændingsforhold på 6: 1.

Prøv at finde strømmen eller forstærkere i den sekundære side, hvis strømmen eller forstærkeren i den primære side er 200 milliamper.

Formode

Ep = 6V (som et eksempel)
Er = 1V
Ip = 200mA eller 0.2Amps
Er =?

Svar:

Ep / Es = Is / Ip

Transponering for Is:

Is = EpIp / Es

Udskiftning:

Er = (6V x 0,2A) / 1V
Er = 1,2A

Ovenstående scenario adresserer, at på trods af at spændingen over sekundærviklingen er en sjettedel af spændingen over den primære vikling, er forstærkere i sekundærviklingen 6 gange forstærkere i den primære vikling.

Ovenstående ligninger kan meget vel ses fra et alternativt perspektiv.

Viklingsforholdet betyder summen, gennem hvilken transformeren forbedrer eller forstærker eller reducerer spændingen, der er forbundet med den primære side.

Bare for at illustrere, antag, at hvis den sekundære vikling af en transformer har dobbelt så stort antal omdrejninger som den primære vikling, vil spændingen, der stimuleres ind i sekundærsiden, sandsynligvis være dobbelt så stor som spændingen over den primære vikling.

Hvis sekundærviklingen bærer halvdelen af ​​antallet af drejninger på den primære side, vil spændingen over sekundærsiden være halvdelen af ​​spændingen over den primære vikling.

Når det er sagt, omfatter viklingsforholdet sammen med forstærkerforholdet for en transformer en omvendt tilknytning.

Som et resultat kunne en 1: 2 step-up transformer have halvdelen af ​​forstærkeren i den sekundære side sammenlignet med den primære side. En 2: 1 nedadgående transformer kan have to gange forstærkeren i sekundærviklingen i forhold til den primære side.

Illustration: En transformer med et viklingsforhold på 1:12 har 3 ampere strøm på sekundærsiden. Find ud af størrelsen på forstærkere i den primære vikling?

Givet:

Np = 1 omdrejning (for eksempel)
Ns = 12 omdrejninger
Er = 3Amp
Lp =?

Svar:

Np / Ns = Is / Ip

Udskiftning:

Ip = (12 omdrejninger x 3 amp) / 1 omdrejning

Ip = 36A

Beregning af gensidig induktans

Gensidig induktion er en proces, hvor en vikling gennemgår en EMF-induktion på grund af ændringshastighed for den tilstødende vikling, der fører til en induktiv kobling mellem viklingen.

Med andre ord Gensidig induktans er forholdet mellem den inducerede emf på tværs af den ene vikling og strømningshastigheden på den anden vikling, som udtrykt i følgende formel:

M = emf / di (t) / dt

Indfasning af transformere:

Normalt, når vi undersøger transformatorer, tror de fleste af os, at den primære og sekundære viklingsspænding og strømme er i fase med hinanden. Dette kan dog ikke altid være sandt. I transformatorer er forholdet mellem spænding, strømfasevinkel over primær og sekundær afhængig af, hvordan disse viklinger drejes rundt om kernen. Det afhænger af, om de begge er i retning mod uret eller i retning med uret eller kan være, at den ene vikling drejes med uret, mens den anden vikler mod uret.

Lad os henvise til følgende diagrammer for at forstå, hvordan viklingsorienteringen påvirker fasevinklen:

I ovenstående eksempel ser viklingsretningerne ud identiske, dvs. både primær og sekundær vikling drejes med uret. På grund af denne identiske orientering er fasevinklen for udgangsstrømmen og spændingen identisk med fasevinklen for indgangsstrømmen og spændingen.

I det andet eksempel ovenfor kan transformatorens viklingsretning ses viklet med modsat retning. Som det kan ses, ser det primære ud til at være med uret, mens sekundæret vikles mod uret. På grund af denne modsatte viklingsorientering er fasevinklen mellem de to viklinger 180 grader fra hinanden, og den inducerede sekundære udgang viser en ud af fasestrøm og spændingsrespons.

Punktnotation og punktkonvention

For at undgå forvirring anvendes punktnotation eller punktkonvention til at repræsentere en transformers viklingsorientering. Dette gør det muligt for brugeren at forstå input- og outputfasevinkelspecifikationerne, uanset om den primære og sekundære vikling er i fase eller ud af fase.

Punktkonvention implementeres af prikmærker på tværs af viklingsstartpunktet, hvilket indikerer, om viklingen er i fase eller ude af fase med hinanden.

Følgende transformatorskema bærer en punktkonventionens betegnelse, og det betyder, at transformatorens primære og sekundære er i fase med hinanden.

Punktkonvention, der viser transformatorens primære og sekundære vikling, er i fase

Punktnotation anvendt i illustrationen nedenfor viser DOT'erne placeret over de modsatte punkter i den primære og sekundære vikling. Dette indikerer, at viklingsorienteringen af ​​de to sider ikke er den samme, og derfor vil fasevinklen over de to viklinger være 180 grader ude af fase, når der tilføres en AC-indgang på en af ​​viklingen.

Tab i en rigtig transformer

Beregningerne og formlerne, der blev betragtet i ovenstående afsnit, var baseret på en ideel transformer. Men i den virkelige verden og for en reel transformer kan scenariet være meget anderledes.

Du vil opdage, at følgende grundlæggende lineære faktorer for reelle transformere i et ideelt design vil blive ignoreret:

(a) Mange typer kernetab, sammen kendt som magnetisering af aktuelle tab, der kan omfatte følgende typer tab:

  • Hysteresetab: dette skyldes ikke-lineær påvirkning af den magnetiske flux på transformatorens kerne.
  • Virvelstrømstab: Dette tab genereres på grund af fænomenet kaldet joule opvarmning i transformerkernen. Det er proportionalt med kvadratet af den spænding, der påføres transformatorens primære.

(b) I modsætning til den ideelle transformer kan modstanden fra viklingen i en reel transformer aldrig have nul modstand. Betydningen af ​​viklingen vil i sidste ende have en vis modstand og induktanser forbundet med dem.

  • Joule-tab: Som forklaret ovenfor giver modstanden, der genereres over viklingsterminalerne, Joule-tab.
  • Lækage flux: Vi ved, at transformatorer i høj grad afhænger af magnetisk induktion over deres vikling. Men da viklingen er bygget på en fælles enkeltkerne, viser magnetisk flux en tendens til at lække over viklingen via kernen. Dette giver anledning til en impedans kaldet primær / sekundær reaktiv impedans, hvilket bidrager til transformatorens tab.

(c) Da en transformer også er en slags induktor, påvirkes den også af fænomen som parasitisk kapacitans og selvresonans på grund af elektrisk feltfordeling. Disse parasitære kapaciteter kan normalt have 3 forskellige former som angivet nedenfor:

  • Kapacitans genereret mellem svingene over hinanden i et enkelt lag
  • Kapacitans genereret på tværs af to eller flere tilstødende lag
  • Kapacitans skabt mellem transformerkernen og det eller de viklede lag, der ligger ved siden af ​​kernen

Konklusion

Fra ovenstående diskussion kan vi forstå, at beregning af en transformer i praktiske anvendelser, især en jernkernetransformer, måske ikke er så enkel som en ideel transformer ville være.

For at få de mest nøjagtige resultater for viklingsdataene skal vi muligvis overveje mange faktorer såsom: fluxdensitet, kerneområde, kernestørrelse, tunge bredde, vinduesareal, kernetype osv

Du kan lære mere om alle disse beregninger under dette indlæg:




Forrige: Ultralyds brændstofniveauindikatorkredsløb Næste: Comparator Circuits ved hjælp af IC 741, IC 311, IC 339