Hvordan Transformers fungerer

I henhold til definisjonen gitt i Wikipedia en elektrisk transformator er et stasjonært utstyr som utveksler elektrisk kraft over et par tett viklede spoler, gjennom magnetisk induksjon.

En konstant endringsstrøm i en vikling av transformatoren genererer en varierende magnetisk strømning, som følgelig induserer en varierende elektromotorisk kraft over en andre spole bygget over samme kjerne.

Grunnleggende arbeidsprinsipp

Transformatorer fungerer i utgangspunktet ved å overføre elektrisk kraft mellom et par spoler gjennom gjensidig induksjon, uten å avhenge av noen form for direkte kontakt mellom de to viklingene.

Denne prosessen med overføring av elektrisitet gjennom induksjon ble først bevist av Faradays induksjonslov, i år 1831. I følge denne loven blir den induserte spenningen over to spoler skapt på grunn av en varierende magnetisk strømning rundt spolen.

Den grunnleggende funksjonen til en transformator er å trappe opp eller trappe ned en vekselstrøm / strøm, i forskjellige proporsjoner i henhold til kravet til applikasjonen. Andelene bestemmes av antall svinger og svingforhold for viklingen.

Analyse av en ideell transformator

Vi kan forestille oss at en ideell transformator er en hypotetisk design som kan være praktisk talt uten noen form for tap. Dessuten kan denne ideelle utformingen ha sin primære og sekundære vikling perfekt kombinert med hverandre.

Det betyr at den magnetiske bindingen mellom de to viklingene er gjennom en kjerne hvis magnetiske permeabilitet er uendelig, og med viklingsinduktanser ved en total magnetmotorkraft.

Vi vet at i en transformator prøver den påførte vekselstrømmen i primærviklingen å håndheve en varierende magnetisk strømning i kjernen til transformatoren, som også inkluderer sekundærviklingen omkranset den.

På grunn av denne varierende strømmen induseres en elektromotorisk kraft (EMF) på sekundærviklingen gjennom elektromagnetisk induksjon. Dette resulterer i generering av fluss på sekundærviklingen med en størrelse som er motsatt, men lik den primære viklingsstrømmen, i henhold til Lenz'z lov .

Siden kjernen har en uendelig magnetisk permeabilitet, er hele (100%) magnetiske strømning i stand til å bli overført over de to viklingene.

Dette innebærer at når primæren utsettes for en vekselstrømskilde, og en belastning er koblet til de sekundære viklingsterminalene, strømmer strømmen gjennom den respektive viklingen i retninger som indikert i følgende diagram. I denne tilstanden nøytraliseres kjernemagnetkraften til null.

Bilde med tillatelse: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

Siden overføringen av fluks over primær- og sekundærviklingen er 100%, i henhold til Faradays lov, vil den induserte spenningen på hver av viklingene i denne ideelle transformatorutformingen være perfekt proporsjonal med antall svinger av viklingen, som vist i det følgende figur:

Test video som verifiserer det lineære forholdet mellom primær / sekundær svingforhold.

TURNER OG SPENNINGSFORHOLD

La oss prøve å forstå svingforholdsberegningene i detalj:

Nettostørrelsen på spenningen indusert fra primær til sekundær vikling bestemmes ganske enkelt av forholdet mellom antall svinger viklet over primær og sekundær seksjoner.

Imidlertid gjelder denne regelen bare hvis transformatoren er nær en ideell transformator.

En ideell transformator er den transformatoren som har ubetydelige tap i form av hudeffekt eller virvelstrøm.

La oss ta eksemplet på figur 1 nedenfor (for en ideell transformator).

Anta at primærviklingen består av rundt 10 omdreininger, mens den sekundære med bare en svingvikling. På grunn av elektromagnetisk induksjon, genereres strømningslinjene over primærviklingen som svar på inngangen AC, vekselvis og kollapser vekselvis, og skjærer gjennom de 10 svingene av primærviklingen. Dette resulterer i at en nøyaktig proporsjonal mengde spenning ble indusert over sekundærviklingen avhengig av svingforholdet.

Viklingen som forsynes med vekselstrøminngang blir den primære viklingen, mens den kompletterende viklingen som produserer utgangen gjennom magnetisk induksjon fra den primære blir sekundærviklingen.

Figur 1)

Siden sekundæren bare har en enkelt sving, opplever den en proporsjonal magnetisk strømning over sin eneste sving i forhold til de 10 svingene i primæren.

Siden spenningen som påføres over primæren er 12 V, vil derfor hver av dens viklinger bli utsatt for en teller EMF på 12/10 = 1,2 V, og dette er nøyaktig størrelsen på spenningen som vil påvirke den eneste svingen som er tilstede over den sekundære delen. Dette er fordi den har en enkelt vikling som er i stand til å trekke ut bare den samme mengden induksjon som kan være tilgjengelig over den ene svingen over primæren.

Dermed vil sekundær med en enkelt sving kunne trekke ut 1.2V fra primær.

Ovennevnte forklaring indikerer at antall svinger over en transformator primær samsvarer lineært med forsyningsspenningen over den, og spenningen blir ganske enkelt delt på antall svinger.

I ovennevnte tilfelle, siden spenningen er 12V, og antall omdreininger er 10, vil nettoteller EMF indusert over hver av svingene være 12/10 = 1,2V

Eksempel 2

La oss nå visualisere figuren 2 nedenfor, den viser en lignende type konfigurasjon som i figur 1. forventer sekundær som nå har 1 ekstra sving, det vil si 2 antall svinger.

Det burde være unødvendig å si at nå ville sekundæret gå gjennom dobbelt så mange linjer av strømning sammenlignet med figur 1-tilstanden som bare hadde en enkelt sving.

Så her ville sekundærviklingen lese rundt 12/10 x 2 = 2,4V fordi de to svingene ville bli påvirket av en størrelse på mot EMF som kan være ekvivalent over de to viklingene på den primære siden av trafo.

Derfor kan vi fra den ovennevnte diskusjonen generelt konkludere med at forholdet mellom spenning og antall svinger over primær og sekundær er i en transformator ganske lineær og proporsjonal.

Transformator Turn Numbers

Dermed kan den avledede formelen for beregning av antall svinger for en hvilken som helst transformator uttrykkes som:

Es / Ep = Ns / Np

hvor,

• Es = Sekundær spenning ,
• Ep = Primær spenning,
• Ns = Antall sekundære svinger,
• Np = Antall primære svinger.

Primær sekundær svingforhold

Det ville være interessant å merke seg at formelen ovenfor indikerer et rett forhold mellom forholdet mellom sekundær og primærspenning og sekundært til primært antall svinger, som er indikert å være proporsjonale og like.

Derfor kan ovenstående ligning også uttrykkes som:

Ep x Ns = Es x Np

Videre kan vi utlede formelen ovenfor for å løse Es og Ep som vist nedenfor:

Es = (Ep x Ns) / Np

på samme måte,

Ep = (Es x Np) / Ns

Ovennevnte ligning viser at hvis noen 3 størrelser er tilgjengelige, kan den fjerde størrelsen lett bestemmes ved å løse formelen.

Løse praktiske transformatorviklingsproblemer

Sak i punkt 1: En transformator har 200 antall svinger i primærseksjonen, 50 antall svinger i sekundærområdet og 120 volt koblet over primæren (Ep). Hva kan være spenningen over sekundæren (E s)?

Gitt:

• Np = 200 omdreininger
• Ns = 50 svinger
• Ep = 120 volt
• Er =? volt

Svar:

Es = EpNs / Np

Erstatter:

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

Es = 30 volt

Sak i punkt 2 : Anta at vi har 400 antall svinger av ledning i en jernkjernspiral.

Forutsatt at det er nødvendig å bruke spolen som primærvikling av en transformator, Beregn antall omdreininger som må vikles på spolen for å tilegne seg sekundærviklingen til transformatoren for å sikre en sekundær spenning på en volt med en situasjon der den primære spenning er 5 volt?

Gitt:

• Np = 400 omdreininger
• Ep = 5 volt
• Es = 1 volt
• Ns =? svinger

Svar:

EpNs = EsNp

Transponering for Ns:

Ns = EsNp / Ep

Erstatter:

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

Ns = 80 svinger

Husk: Forholdet mellom spenningen (5: 1) tilsvarer viklingsforholdet (400: 80). Noen ganger, som en erstatning for bestemte verdier, finner du deg selv tildelt et sving- eller spenningsforhold.

I tilfeller som dette kan du bare anta hvilket som helst vilkårlig tall for en av spenningene (eller viklingen) og regne ut den andre alternative verdien fra forholdet.

Som en illustrasjon, antar at et viklingsforhold er tildelt 6: 1, kan du forestille deg en svingmengde for primærdelen og finne ut det tilsvarende sekundære antall svinger ved å bruke lignende proporsjoner som 60:10, 36: 6, 30: 5 osv.

Transformatoren i alle de ovennevnte eksemplene bærer et mindre antall svinger i sekundærseksjonen sammenlignet med primærseksjonen. Av den grunn kan du finne en mindre mengde spenning over sekundæren av trafo snarere enn over primærsiden.

Hva er Step-up og Step-Down Transformers

En transformator som har den sekundære sidespenningen lavere enn den primære sidespenningen, blir referert til som a TRINN-NED transformator .

Alternativt, hvis AC-inngangen blir brukt på viklingen som har høyere antall omdreininger, fungerer transformatoren som en nedtrappingstransformator.

Forholdet mellom en fire-til-en nedtransformator er innskrevet som 4: 1. En transformator som inkluderer færre antall svinger på primærsiden sammenlignet med sekundærsiden, vil generere en høyere spenning over sekundærsiden sammenlignet med spenningen som er koblet over primærsiden.

En transformator som har en sekundærside klassifisert over spenningen over primærsiden, blir referert til som en STEP-UP-transformator. Eller alternativt, hvis AC-inngangen blir brukt på en vikling som har lavere antall svinger, fungerer transformatoren som en opptrapp-transformator.

Forholdet mellom en trinn-opp-transformator må skrives inn som 1: 4. Som du kan se i de to forholdene at størrelsen på den primære sideviklingen konsekvent er nevnt i begynnelsen.

Kan vi bruke en trinnvis transformator som en trinnvis transformator og omvendt?

Ja, definitivt! Alle transformatorer jobber med det samme grunnleggende prinsippet som beskrevet ovenfor. Å bruke en trappetransformator som en nedtransformator betyr ganske enkelt å bytte inngangsspenningene over deres primære / sekundære vikling.

For eksempel, hvis du har en vanlig oppstrømstransformator for strømforsyning som gir deg en 12-0-12V utgang fra en 220V inngangsstrøm, kan du bruke den samme transformatoren som en trappetransformator for å produsere 220V utgang fra en 12V AC inngang.

Et klassisk eksempel er en inverter krets , hvor transformatorene ikke har noe spesielt i seg. De jobber alle med de vanlige nedtransformatorene som er koblet på motsatt måte.

Effekt av belastning

Hver gang en last eller en elektrisk enhet er koblet over sekundærviklingen til en transformator, går strøm eller forsterkere over sekundærsiden av viklingen sammen med lasten.

Den magnetiske strømmen som genereres av strømmen i sekundærviklingen, samhandler med de magnetiske strømningslinjene som genereres av forsterkerne på primærsiden. Denne konflikten mellom de to linjene med strømmer genereres som et resultat av den delte induktansen mellom primær og sekundær vikling.

Gjensidig strømning

Den absolutte strømmen i kjernematerialet til transformatoren er utbredt både for primær- og sekundærviklingene. Det er i tillegg en måte som elektrisk kraft er i stand til å migrere fra primærviklingen til sekundærviklingen.

På grunn av det faktum at denne strømmen forener begge viklingene, fenomenet generelt kjent som MUTUAL FLUX. Induktansen som genererer denne strømmen er også utbredt for begge viklingene og kalles gjensidig induktans.

Figur (2) nedenfor viser strømmen skapt av strømmen i primær- og sekundærviklingen til en transformator hver gang strømmen slås PÅ i primærviklingen.

Figur (2)

Når lastmotstanden er koblet til sekundærviklingen, utløser spenningen som stimuleres til sekundærviklingen strøm til å sirkulere i sekundærviklingen.

Denne strømmen produserer en strømningsring rundt sekundærviklingen (angitt som stiplede linjer) som kan være et alternativ til strømningsfeltet rundt den primære (Lenzs lov).

Følgelig avbryter strømmen rundt sekundærviklingen det meste av strømmen rundt primærviklingen.

Med en mindre mengde strøm som omgir primærviklingen, kuttes omvendt emf og mer forsterker suges fra forsyningen. Tilleggsstrømmen i primærviklingen frigjør flere flukselinjer, og gjenoppretter stort sett den opprinnelige mengden av absolutte flukselinjer.

TURNER OG AKTUELLE FORHOLD

Mengden flukselinjer produsert i en trafo-kjerne er proporsjonal med magnetiseringskraften

(I AMPERE-TURNS) av primær- og sekundærviklingene.

Ampere-svingen (I x N) er en indikasjon på magneto-drivkraft, det kan forstås å være magnetmotorkraften produsert av en ampere med strøm som går i en spole på 1 omdreining.

Fluxen som er tilgjengelig i kjernen til en transformator omgir primær- og sekundærviklingene.

Gitt at fluksen er identisk for hver vikling, bør ampere-svingene i hver, primær og sekundær vikling alltid være den samme.

På grunn av det:

IpNp = IsNs

Hvor:

IpNp = ampere / svinger i primærviklingen
IsNs - ampere / svinger i sekundærviklingen

Ved å dele begge sider av uttrykket med
Ip , vi får:
Np / Ns = Is / Ip

siden: Es / Ep = Ns / Np

Deretter: Ep / Es = Np / Ns

Også: Ep / Es = Is / Ip

hvor

• Ep = spenning påført over primær i volt
• Es = spenning over sekundæren i volt
• Ip = strøm i primær i Amp
• Er = strøm i sekundær i ampere

Vær oppmerksom på at ligningene indikerer at ampereforholdet er det inverse av viklingen eller svingforholdet, så vel som spenningsforholdet.

Dette innebærer at en transformator som har færre antall svinger på sekundærsiden sammenlignet med primæren, kan trappe ned spenningen, men den vil øke strømmen. For eksempel:

En transformator antar at det har et spenningsforhold på 6: 1.

Prøv å finne strømmen eller forsterkerne på sekundærsiden hvis strømmen eller forsterkeren på primærsiden er 200 milliamper.

Anta

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

Svar:

Ep / Es = Is / Ip

Transponering for Is:

Is = EpIp / Es

Erstatter:

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

Ovennevnte scenario adresserer at til tross for at spenningen over sekundærviklingen er en sjettedel av spenningen over primærviklingen, er ampere i sekundærviklingen 6 ganger ampere i primærviklingen.

Ovennevnte ligninger kan veldig godt sees fra et alternativt perspektiv.

Viklingsforholdet betyr summen som transformatoren forbedrer eller forsterker eller reduserer spenningen som er koblet til primærsiden.

Bare for å illustrere, antar at hvis sekundærviklingen til en transformator har dobbelt så mange omdreininger som primærviklingen, vil spenningen stimulert inn i sekundærsiden sannsynligvis være dobbelt så stor som spenningen over primærviklingen.

Hvis sekundærviklingen bærer halvparten av antall svinger primærsiden, vil spenningen over sekundærsiden være halvparten av spenningen over primærviklingen.

Når det er sagt, omfatter viklingsforholdet sammen med forsterkerforholdet til en transformator en invers assosiasjon.

Som et resultat kan en 1: 2 step-up transformator ha halvparten av forsterkeren på sekundærsiden sammenlignet med primærsiden. En nedgangstransformator 2: 1 kan ha to ganger forsterkeren i sekundærviklingen i forhold til primærsiden.

Illustrasjon: En transformator med et viklingsforhold på 1:12 har 3 ampere strøm på sekundærsiden. Finn ut størrelsen på forsterkere i primærviklingen?

Gitt:

Np = 1 sving (for eksempel)
Ns = 12 svinger
Er = 3Amp
Lp =?

Svar:

Np / Ns = Is / Ip

Erstatter:

Ip = (12 omdreininger x 3 Amp) / 1 omdreining

Ip = 36A

Beregning av gjensidig induktans

Gjensidig induksjon er en prosess der en vikling går gjennom en EMF-induksjon på grunn av endringsstrømmen til den tilstøtende viklingen som fører til en induktiv kobling mellom viklingen.

Med andre ord Gjensidig induktans er forholdet mellom den induserte emf over en vikling til hastigheten på strømendring på den andre viklingen, som uttrykt i følgende formel:

M = emf / di (t) / dt

Innfasing av transformatorer:

Normalt, når vi undersøker transformatorer, tror de fleste av oss at den primære og sekundære viklingsspenningen og strømmen er i fase med hverandre. Dette er imidlertid ikke alltid sant. I transformatorer er forholdet mellom spenningen, strømfasevinkelen over primær og sekundær avhengig av hvordan disse viklingene snus rundt kjernen. Det avhenger av om de begge er i retning mot urviseren, eller med urviseren eller kan være en vikling dreies med klokken mens den andre vikler mot urviseren.

La oss referere til følgende diagrammer for å forstå hvordan viklingsorienteringen påvirker fasevinkelen:

I eksemplet ovenfor ser viklingsretningene identiske ut, det vil si at både primær- og sekundærvikling dreies med urviseren. På grunn av denne identiske retningen er fasevinkelen til utgangsstrømmen og spenningen identisk med fasevinkelen til inngangsstrømmen og spenningen.

I det andre eksemplet ovenfor kan transformatorens viklingsretning sees viklet med motsatt retning. Som det kan sees, ser det ut til at primæren er med urviseren mens sekundæren er viklet mot klokken. På grunn av denne motsatte viklingsorienteringen er fasevinkelen mellom de to viklingene 180 grader fra hverandre, og den induserte sekundære utgangen viser en fasestrøm og spenningsrespons.

Punktnotasjon og punktkonvensjon

For å unngå forvirring, benyttes punktnotasjon eller punktkonvensjon for å representere viklingsorienteringen til en transformator. Dette gjør det mulig for brukeren å forstå spesifikasjonene for inngangs- og utgangsfasevinkel, om primær- og sekundærviklingen er i fase eller utenfor fase.

Punktkonvensjonen er implementert av prikkmerker over viklingsstartpunktet, som indikerer om viklingen er i fase eller ut av fase med hverandre.

Følgende transformatorskjema har en punktkonvensjon, og det betyr at transformatorens primære og sekundære er i fase med hverandre.

Punktnotasjon brukt i illustrasjonen nedenfor viser DOT-er plassert på tvers av motsatte punkter av primær- og sekundærviklingen. Dette indikerer at viklingsorienteringen til de to sidene ikke er den samme, og derfor vil fasevinkelen over de to viklingene være 180 grader ut av fase når en AC-inngang påføres en av viklingen.

Tap i en ekte transformator

Beregningene og formlene som ble vurdert i avsnittene ovenfor, var basert på en ideell transformator. Men i den virkelige verden, og for en ekte transformator, kan scenariet være mye annerledes.

Du vil oppdage at i en ideell utforming vil følgende grunnleggende lineære faktorer for virkelige transformatorer bli ignorert:

(a) Mange typer kjernetap, sammen kjent som magnetiserende strømtap, som kan omfatte følgende typer tap:

• Hysteresetap: dette er forårsaket av ikke-lineær påvirkning av magnetisk strømning på kjernen til transformatoren.
• Virvelstrømstap: Dette tapet genereres på grunn av fenomenet kalt jouleoppvarming i transformatorkjernen. Den er proporsjonal med kvadratet til spenningen som påføres transformatorens primær.

(b) I motsetning til den ideelle transformatoren, kan motstanden til viklingen i en reell transformator aldri ha nullmotstand. Betydningen av viklingen vil til slutt ha en viss motstand og induktanser knyttet til seg.

• Joule-tap: Som forklart ovenfor, gir motstanden som genereres over viklingsterminalene Joule-tap.
• Lekkasjestrøm: Vi vet at transformatorer er sterkt avhengig av magnetisk induksjon over viklingen. Imidlertid, siden viklingen er bygget på en felles enkeltkjerne, viser magnetisk strømning en tendens til å lekke over viklingen via kjernen. Dette gir opphav til en impedans kalt primær / sekundær reaktiv impedans, som bidrar til tapene til transformatoren.

(c) Siden en transformator også er en slags induktor, påvirkes den også av fenomen som parasittisk kapasitans og selvresonans på grunn av elektrisk feltfordeling. Disse parasittiske kapasitansene kan vanligvis være i 3 forskjellige former som gitt nedenfor:

• Kapasitans generert mellom svingene over hverandre i et enkelt lag
• Kapasitans generert over to eller flere tilstøtende lag
• Kapasitans skapt mellom transformatorkjernen og det / de viklede laget / lagene som ligger ved siden av kjernen

Konklusjon

Fra diskusjonen ovenfor kan vi forstå at beregning av en transformator i praktiske applikasjoner, spesielt en jernkjernetransformator, kanskje ikke er så enkel som en ideell transformator.

For å få de mest nøyaktige resultatene for viklingsdataene, kan det hende vi må vurdere mange faktorer som: flytdensitet, kjerneområde, kjernestørrelse, tungebredde, vindusareal, kjernemateriale osv

Du kan lære mer om alle disse beregningene under dette innlegget: