Základy transformátoru

Transformátory jsou obecně zařízení schopná převádět veličiny z jedné hodnoty na druhou. V tomto článku se zaměříme na napěťový transformátor, který je statickou elektrickou součástí schopnou převádět střídavé napětí z jedné hodnoty na druhou beze změny frekvence pomocí principů elektromagnetické indukce.

V jednom z našich předchozích článků o střídavém proudu jsme zmínili, jak důležitý byl transformátor, v historii střídavého proudu. Byl to hlavní aktivátor, který umožnil střídavý proud. Zpočátku, když se používaly systémy na bázi stejnosměrného proudu, nemohly být přenášeny na dlouhé vzdálenosti kvůli ztrátě energie v linkách, jak se zvětšovala vzdálenost (délka), což znamená, že stejnosměrné elektrárny musely být umístěny všude, takže hlavním cílem AC bylo k vyřešení problému s přenosem a bez transformátoru by to nebylo možné, protože ztráty by stále existovaly i při AC.

Když je transformátor na svém místě, mohl by se střídavý proud přenášet z výrobních stanic při velmi vysokém napětí, ale při nízkém proudu, což eliminuje ztráty ve vedení (dráty) v důsledku hodnoty I ² R (což udává ztrátu výkonu ve vedení). Transformátor je pak použit pro převod vysoké napětí, nízký proud energie na nízké napětí, vysoký proud energie pro konečnou distribuci v rámci komunity, aniž změnou frekvence a při stejném výkonu, které byly předány z elektrárna (P = IV).

Pro lepší pochopení napěťového transformátoru je nejlepší použít jeho nejjednodušší model, kterým je jednofázový transformátor.

Jednofázový transformátor

Jednofázový transformátor je nejběžnějším druhem napěťových transformátorů (z hlediska použitého počtu). Je přítomen ve většině „zapojených“ spotřebičů, které používáme doma i kdekoli jinde.

Používá se k popisu principu činnosti, konstrukce atd. Transformátoru, protože ostatní transformátory jsou jako variace nebo modifikace jednofázového transformátoru. Někteří lidé například označují třífázový transformátor jako sestávající ze 3 jednofázových transformátorů.

Jednofázový transformátor se skládá ze dvou cívek / vinutí (primární a sekundární cívka). Tato dvě vinutí jsou uspořádána takovým způsobem, že mezi nimi neexistuje žádné elektrické spojení, takže jsou navinuta kolem společného magnetického železa, které se obecně označuje jako jádro transformátoru, takže obě cívky mají mezi sebou pouze magnetické spojení. Tím je zajištěno, že je energie přenášena pouze elektromagnetickou indukcí, a transformátory jsou také užitečné pro izolační připojení.

Princip fungování transformátoru:

Jak již bylo zmíněno dříve, transformátor se skládá ze dvou cívek; primární a sekundární cívky. Primární cívka vždy představuje vstup do transformátoru, zatímco sekundární cívka výstup z transformátoru.

Provoz transformátoru definují dva hlavní efekty:

Prvním z nich je to, že proud teče přes drát zřizuje magnetické pole kolem drátu. Velikost výsledného magnetického pole je vždy přímo úměrná množství proudu procházejícího vodičem. Velikost magnetického pole se zvýší, pokud je vodič navinut do podoby cívky. Toto je princip, s nímž je magnetismus indukován primární cívkou. Přivedením napětí na primární cívku indukuje magnetické pole kolem jádra transformátoru.

Druhý efekt, který v kombinaci s prvním vysvětluje provozní princip transformátoru která je založena na skutečnosti, že v případě, že vodič je navinuta kolem kus magnetu a změny magnetického pole, změna magnetického pole indukuje proud v vodič, jehož velikost bude určena počtem závitů cívky vodiče. Toto je princip, kterým se sekundární cívka napájí.

Když je na primární cívku přivedeno napětí, vytváří kolem jádra magnetické pole, jehož síla závisí na aplikovaném proudu. Vytvořené magnetické pole tak indukuje proud v sekundární cívce, který je funkcí velikosti magnetického pole a počtu závitů sekundární cívky.

Tento provozní princip transformátoru také vysvětluje, proč musel být vynalezen střídavý proud, protože transformátor bude fungovat pouze tehdy, když dojde ke střídání aplikovaného napětí nebo proudu, protože teprve potom budou fungovat principy elektromagnetické indukce. Tak transformátor nemohl být použit pro DC poté.

Konstrukce transformátoru

Transformátor se v zásadě skládá ze dvou částí, které zahrnují; dvě indukční cívky a laminované ocelové jádro. Cívky jsou navzájem izolované a také izolované, aby se zabránilo kontaktu s jádrem.

Konstrukce transformátoru bude tedy zkoumána pod konstrukcí cívky a jádra.

Transformátorovo jádro

Jádro transformátoru je vždy konstruováno stohováním vrstvených ocelových plechů dohromady, což zajišťuje minimální vzduchovou mezeru mezi nimi. Jádro transformátoru je v poslední době vždy tvořeno jádrem z laminované oceli místo železných jader, aby se snížily ztráty způsobené vířivými proudy.

Na výběr jsou tři hlavní tvary vrstvených ocelových plechů, kterými jsou E, I a L.

Při stohování laminace dohromady za účelem vytvoření jádra jsou vždy stohovány takovým způsobem, aby se strany spoje střídaly. Například listy jsou sestaveny jako čelní během první montáže, budou zadní čelní pro další montáž, jak je znázorněno na obrázku níže. To se provádí, aby se zabránilo vysoké neochotě kloubů.

Cívka

Při konstrukci transformátoru je velmi důležité určit typ transformátoru buď jako krok nahoru, nebo dolů, protože to určuje počet závitů, které budou existovat v primární nebo sekundární cívce.

Typy transformátorů:

Většinou existují tři typy napěťových transformátorů;

1. Odstraňte transformátory

2. Zintenzivněte transformátory

3. Izolační transformátory

Krok dolů transformátory jsou transformátory, které poskytuje sníženou hodnotu napětí na primární cívce v sekundárním vinutí, zatímco pro krok transformátor, transformátor poskytuje zvýšené hodnota napětí na primární cívce, na sekundární cívka.

Izolační transformátory jsou transformátory, které poskytují stejné napětí přivedené na primární na sekundárním, a proto se v zásadě používají k izolaci elektrických obvodů.

Z výše uvedeného vysvětlení lze vytvoření konkrétního typu transformátoru dosáhnout pouze navržením počtu závitů v každé z primárních a sekundárních cívek tak, aby poskytovaly požadovaný výkon, což lze tedy určit poměrem závitů. Můžete si přečíst propojený výukový program a dozvědět se více o různých typech transformátorů.

Poměr transformátorů a rovnice EMF:

Poměr otáček transformátoru (n) je dán rovnicí;

n = Np / Ns = Vp / Vs

kde n = poměr otáček

Np = počet závitů v primární cívce

Ns = počet závitů v sekundární cívce

Vp = napětí přivedené na primární

Vs = napětí na sekundárním obvodu

Tyto vztahy popsané výše lze použít k výpočtu každého z parametrů v rovnici.

Výše uvedený vzorec je známý jako napěťová akce transformátorů.

Protože jsme řekli, že síla po transformaci zůstává stejná;

Tento vzorec výše se označuje jako aktuální akce transformátoru. Což slouží jako důkaz, že transformátor transformuje nejen napětí, ale také proud.

EMF rovnice:

Počet závitů cívky primární nebo sekundární cívky určuje množství proudu, které indukuje nebo je indukováno. Když se sníží proud aplikovaný na primární, sníží se síla magnetického pole a stejná pro proud indukovaný v sekundárním vinutí.

E = N (dΦ / dt)

Velikost napětí indukovaného v sekundárním vinutí je dána rovnicí:

Kde N je počet závitů v sekundárním vinutí.

Protože se tok mění sinusově, magnetický tok Φ = Φ _max sinwt

tím pádem

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

Kořenová průměrná hodnota indukovaného Emf se získá vydělením maximální hodnoty emf √2

Tato rovnice je známá jako rovnice EMF transformátorů.

Kde: N je počet závitů ve vinutí cívky

f je frekvence toku v hertzích

Φ je hustota magnetického toku ve Weberovi

se všemi určenými hodnotami lze transformátor takto zkonstruovat.

Elektrická energie

Jak již bylo vysvětleno dříve, transformátory byly vytvořeny tak, aby zajistily, že hodnota elektrické energie generované ve výrobních stanicích je dodávána koncovým uživatelům s malou nebo žádnou ztrátou, takže v transformátoru Ideal je výkon na výstupu (sekundární vinutí) vždy stejný jako příkon. Transformátory se tak označují jako zařízení s konstantním výkonem, i když mohou měnit hodnoty napětí a proudu, vždy se to děje tak, že na výstupu je k dispozici stejný výkon na vstupu.

Tím pádem

P _s = P _str

kde Ps je síla na sekundárním a Pp je síla na primárním.

Protože P = IvcosΦ pak I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Účinnost transformátoru

Účinnost transformátoru je dána rovnicí;

Účinnost = (výstupní výkon / vstupní výkon) * 100%

Zatímco výkon ideálního transformátoru by měl být stejný jako příkon, většina transformátorů je daleko od ideálního transformátoru a dochází ke ztrátám v důsledku několika faktorů.

Níže jsou uvedeny některé ztráty, které může transformátor zaznamenat;

1. Ztráty mědi

2. Hysterezní ztráty

3. Ztráty vířivými proudy

1. Ztráty mědi

Tyto ztráty se někdy označují jako ztráty vinutím nebo ztráty I ² R. Tyto ztráty jsou spojeny s výkonem rozptýleným vodičem použitým pro vinutí při průchodu proudu v důsledku odporu vodiče. Hodnotu této ztráty lze vypočítat pomocí vzorce;

P = I ² R

2. Hysterezní ztráty

Jedná se o ztrátu související s neochotou materiálů použitých pro jádro transformátoru. Vzhledem k tomu, že střídavý proud obrací svůj směr, má dopad na vnitřní strukturu materiálu použitého pro jádro, protože má sklon k fyzickým změnám, které také spotřebovávají část energie

3. Ztráty vířivými proudy

Toto je ztráta, kterou obvykle překonává použití vrstvených tenkých ocelových plechů. Ztráta vířivým proudem vyplývá ze skutečnosti, že jádro je také vodičem a indukuje emf v sekundární cívce. Proudy indukované v jádru podle zákona o zákonech budou proti magnetickému poli a povedou k rozptýlení energie.

Faktorování účinku těchto ztrát do výpočtů účinnosti transformátoru máme;

Účinnost = (příkon - ztráty / příkon) * 100% Všechny parametry jsou vyjádřeny v jednotkách výkonu.