Как работают трансформаторы

Согласно определению, данному в Википедия Электрический трансформатор - это стационарное оборудование, которое передает электроэнергию через пару тесно намотанных катушек посредством магнитной индукции.

Постоянно изменяющийся ток в одной обмотке трансформатора генерирует переменный магнитный поток, который, следовательно, индуцирует переменную электродвижущую силу на второй катушке, построенной на том же сердечнике.

Основной принцип работы

Трансформаторы в основном работают, передавая электрическую мощность между парой катушек посредством взаимной индукции, вне зависимости от какой-либо формы прямого контакта между двумя обмотками.

Этот процесс передачи электричества посредством индукции был впервые доказан законом индукции Фарадея в 1831 году. Согласно этому закону индуцированное напряжение на двух катушках создается из-за переменного магнитного потока, окружающего катушку.

Основная функция трансформатора - повышать или понижать переменное напряжение / ток в различных пропорциях в соответствии с требованиями приложения. Пропорции определяются числом витков и соотношением витков обмотки.

Анализ идеального трансформатора

Мы можем представить себе идеальный трансформатор в виде гипотетической конструкции, которая может работать практически без каких-либо потерь. Более того, в этой идеальной конструкции первичная и вторичная обмотки могут быть идеально соединены друг с другом.

Это означает, что магнитная связь между двумя обмотками осуществляется через сердечник с бесконечной магнитной проницаемостью и с индуктивностями обмотки при общей нулевой магнитодвижущей силе.

Мы знаем, что в трансформаторе приложенный переменный ток в первичной обмотке пытается создать переменный магнитный поток внутри сердечника трансформатора, который также включает в себя вторичную обмотку, окруженную вокруг него.

Из-за этого переменного потока во вторичной обмотке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) посредством электромагнитной индукции. Это приводит к генерации магнитного потока на вторичной обмотке с величиной, противоположной, но равной потоку первичной обмотки, согласно Закон Ленца .

Поскольку сердечник обладает бесконечной магнитной проницаемостью, весь (100%) магнитный поток может передаваться через две обмотки.

Это означает, что, когда первичная обмотка подвергается воздействию источника переменного тока, а нагрузка подключена к клеммам вторичной обмотки, ток течет через соответствующую обмотку в направлениях, указанных на следующей схеме. В этом состоянии магнитодвижущая сила сердечника нейтрализуется до нуля.

Изображение предоставлено: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

В этой идеальной конструкции трансформатора, поскольку передача потока через первичную и вторичную обмотки составляет 100%, согласно закону Фарадея индуцированное напряжение на каждой обмотке будет идеально пропорционально количеству витков обмотки, как показано ниже фигура:

Тестовое видео, подтверждающее линейную взаимосвязь между первичным / вторичным коэффициентом поворота.

ОБОРОТЫ И ОТНОШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Попробуем подробнее разобраться в расчетах передаточных чисел:

Чистая величина напряжения, индуцированного от первичной обмотки ко вторичной, просто определяется соотношением количества витков, намотанных на первичную и вторичную части.

Однако это правило применяется только в том случае, если трансформатор близок к идеальному трансформатору.

Идеальный трансформатор - это тот трансформатор, который имеет незначительные потери в виде скин-эффекта или вихревых токов.

Давайте возьмем пример на рисунке 1 ниже (для идеального трансформатора).

Предположим, что первичная обмотка состоит примерно из 10 витков, а вторичная - только из одного витка. Из-за электромагнитной индукции силовые линии, генерируемые поперек первичной обмотки в ответ на входной переменный ток, попеременно расширяются и сжимаются, прорезая 10 витков первичной обмотки. Это приводит к тому, что во вторичной обмотке индуцируется точно пропорциональная величина напряжения в зависимости от отношения витков.

Обмотка, на которую подается переменный ток, становится первичной обмоткой, а дополнительная обмотка, которая производит выходной сигнал за счет магнитной индукции первичной обмотки, становится вторичной обмоткой.

Рисунок 1)

Поскольку вторичная обмотка имеет только один виток, она испытывает пропорциональный магнитный поток на одном витке по сравнению с 10 витками первичной обмотки.

Следовательно, поскольку напряжение, приложенное к первичной обмотке, составляет 12 В, каждая ее обмотка будет подвергаться воздействию противо-ЭДС 12/10 = 1,2 В, и это именно та величина напряжения, которая будет влиять на одиночный виток, присутствующий на вторичный раздел. Это потому, что он имеет одну обмотку, которая способна извлекать только то же эквивалентное количество индукции, которое может быть доступно через один виток первичной обмотки.

Таким образом, вторичная обмотка с одним витком сможет извлечь 1,2 В от первичной обмотки.

Приведенное выше объяснение указывает на то, что количество витков на первичной обмотке трансформатора линейно соответствует напряжению питания на ней, а напряжение просто делится на количество витков.

Таким образом, в приведенном выше случае, поскольку напряжение составляет 12 В, а количество витков равно 10, суммарная ЭДС счетчика, индуцированная на каждом из витков, будет 12/10 = 1,2 В.

Пример # 2

Теперь давайте визуализируем рисунок 2 ниже, он показывает конфигурацию, аналогичную показанной на рисунке 1. ожидайте вторичный, у которого теперь есть 1 дополнительный ход, то есть 2 числа ходов.

Излишне говорить, что теперь вторичная обмотка будет проходить через вдвое больше линий потока по сравнению с условием на фигуре 1, в котором был всего один виток.

Таким образом, здесь вторичная обмотка будет показывать около 12/10 x 2 = 2,4 В, потому что на два витка будет влиять величина противо-ЭДС, которая может быть эквивалентной для двух обмоток на первичной стороне трафарета.

Следовательно, из приведенного выше обсуждения в целом можно сделать вывод, что в трансформаторе соотношение между напряжением и количеством витков на первичной и вторичной обмотках является довольно линейным и пропорциональным.

Номера поворотов трансформатора

Таким образом, выведенная формула для расчета количества витков для любого трансформатора может быть выражена как:

Es / Ep = Ns / Np

куда,

• Es = вторичное напряжение ,
• Ep = первичное напряжение,
• Ns = количество вторичных витков,
• Np = количество первичных витков.

Первичный вторичный коэффициент поворота

Было бы интересно отметить, что приведенная выше формула указывает на прямую связь между отношением вторичного напряжения к первичному и числом витков вторичной обмотки к первичному, которые указаны как пропорциональные и равные.

Поэтому приведенное выше уравнение можно также выразить как:

Ep x Ns = Es x Np

Далее мы можем вывести приведенную выше формулу для решения Es и Ep, как показано ниже:

Es = (Ep x Ns) / Np

по аналогии,

Ep = (Es x Np) / Ns

Вышеприведенное уравнение показывает, что если доступны любые 3 величины, четвертую величину можно легко определить, решив формулу.

Решение практических проблем с обмоткой трансформатора

Дело в пункте №1: Трансформатор имеет 200 витков в первичной части, 50 витков во вторичной и 120 вольт, подключенных к первичной обмотке (Ep). Какое может быть напряжение на вторичной обмотке (E s)?

Данный:

• Np = 200 витков
• Ns = 50 витков
• Ep = 120 вольт
• =? вольт

Отвечать:

Es = EpNs / Np

Подставляя:

Es = (120 В x 50 витков) / 200 витков

Es = 30 вольт

Дело в пункте №2 : Предположим, у нас есть 400 витков провода в катушке с железным сердечником.

Предполагая, что катушка должна использоваться в качестве первичной обмотки трансформатора, вычислите количество витков, которые необходимо намотать на катушку, чтобы получить вторичную обмотку трансформатора, чтобы обеспечить вторичное напряжение в один вольт в ситуации, когда первичная напряжение 5 вольт?

Данный:

• Np = 400 витков
• Ep = 5 вольт
• Es = 1 вольт
• Ns =? повороты

Отвечать:

EpNs = EsNp

Транспонирование для Ns:

Ns = EsNp / Ep

Подставляя:

Ns = (1 В x 400 витков) / 5 вольт

Ns = 80 витков

Имей в виду: Соотношение напряжений (5: 1) эквивалентно соотношению обмоток (400: 80). Иногда вместо определенных значений вам назначают коэффициент витков или напряжений.

В подобных случаях вы можете просто принять любое произвольное число для одного из напряжений (или обмотки) и вычислить другое альтернативное значение из соотношения.

В качестве иллюстрации предположим, что коэффициент намотки задан как 6: 1, вы можете представить количество витков первичной части и вычислить эквивалентное вторичное число витков, используя аналогичные пропорции, такие как 60:10, 36: 6, 30: 5 и др.

Трансформатор во всех приведенных выше примерах имеет меньшее количество витков во вторичной части по сравнению с первичной частью. По этой причине вы можете обнаружить меньшее напряжение на вторичной стороне трафо, а не на первичной стороне.

Что такое повышающие и понижающие трансформаторы

Трансформатор, номинальное напряжение вторичной стороны которого ниже номинального напряжения первичной стороны, называется трансформатором. СТУПЕНЧАТЫЙ трансформатор .

Или, в качестве альтернативы, если вход переменного тока подается на обмотку с большим числом витков, то трансформатор действует как понижающий трансформатор.

Отношение понижающего трансформатора четыре к одному записано как 4: 1. Трансформатор, который включает в себя меньшее количество витков на первичной стороне по сравнению с вторичной стороной, будет генерировать более высокое напряжение на вторичной стороне по сравнению с напряжением, подключенным к первичной стороне.

Трансформатор, у которого вторичная сторона номинала выше напряжения на первичной стороне, называется СТУПЕНЧАТЫМ трансформатором. Или, в качестве альтернативы, если вход переменного тока подается на обмотку с меньшим числом витков, то трансформатор действует как повышающий трансформатор.

Соотношение повышающего трансформатора один к четырем нужно вписать как 1: 4. Как вы можете видеть в двух соотношениях, величина первичной обмотки последовательно упоминается в начале.

Можем ли мы использовать понижающий трансформатор в качестве повышающего трансформатора и наоборот?

Да, безусловно! Все трансформаторы работают по тому же основному принципу, что и описанный выше. Использование повышающего трансформатора в качестве понижающего трансформатора просто означает переключение входных напряжений на их первичную / вторичную обмотку.

Например, если у вас есть обычный повышающий трансформатор источника питания, который обеспечивает выход 12-0-12 В от входного переменного тока 220 В, вы можете использовать тот же трансформатор в качестве повышающего трансформатора для получения выходного сигнала 220 В от источника переменного тока 12 В. Вход.

Классический пример - это схема инвертора , где в трансформаторах нет ничего особенного. Все они работают от обычных понижающих трансформаторов, подключенных противоположным образом.

Воздействие нагрузки

Когда нагрузка или электрическое устройство подключаются ко вторичной обмотке трансформатора, ток или токи проходят через вторичную обмотку вместе с нагрузкой.

Магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, взаимодействует с магнитными линиями потока, создаваемыми усилителями на первичной стороне. Этот конфликт между двумя линиями магнитного потока возникает в результате общей индуктивности между первичной и вторичной обмотками.

Взаимный поток

Абсолютный магнитный поток в материале сердечника трансформатора преобладает как для первичной, так и для вторичной обмоток. Кроме того, это путь, по которому электроэнергия может перемещаться от первичной обмотки ко вторичной.

Из-за того, что этот поток объединяет обе обмотки, явление обычно известно как ВЗАИМНЫЙ ПОТОК. Кроме того, индуктивность, которая создает этот поток, преобладает для обеих обмоток и называется взаимной индуктивностью.

На рисунке (2) ниже показан поток, создаваемый токами в первичной и вторичной обмотках трансформатора каждый раз, когда включается ток питания в первичной обмотке.

Фигура 2)

Всякий раз, когда сопротивление нагрузки подключается ко вторичной обмотке, напряжение, стимулируемое во вторичной обмотке, запускает ток, циркулирующий во вторичной обмотке.

Этот ток создает кольца потока вокруг вторичной обмотки (обозначены пунктирными линиями), которые могут быть альтернативой полю потока вокруг первичной обмотки (закон Ленца).

Следовательно, поток вокруг вторичной обмотки нейтрализует большую часть потока вокруг первичной обмотки.

При меньшем количестве магнитного потока, окружающего первичную обмотку, уменьшается обратная ЭДС и от источника питания потребляется больше ампер. Дополнительный ток в первичной обмотке высвобождает дополнительные линии магнитного потока, в значительной степени восстанавливая исходное количество абсолютных магнитных линий.

ОБОРОТЫ И ТЕКУЩИЕ СООТНОШЕНИЯ

Количество магнитных линий, образующихся в сердечнике трафо, пропорционально силе намагничивания.

(В АМПЕР-ОБОРОТАХ) первичной и вторичной обмоток.

Ампер-виток (I x N) указывает на магнитодвижущую силу, его можно понять как магнитодвижущую силу, создаваемую одним ампером тока, протекающего в катушке с 1 витком.

Поток, имеющийся в сердечнике трансформатора, окружает вместе первичную и вторичную обмотки.

Учитывая, что поток идентичен для каждой обмотки, ампер-витки в каждой первичной и вторичной обмотках всегда должны быть одинаковыми.

По этой причине:

IpNp = IsNs

Где:

IpNp = ампер / витки в первичной обмотке
IsNs - ампер / витки во вторичной обмотке

Разделив обе части выражения на
IP , мы получили:
Np / Ns = Is / Ip

поскольку: Es / Ep = Ns / Np

Потом: Ep / Es = Np / Ns

Также: Ep / Es = Is / Ip

куда

• Ep = напряжение, приложенное к первичной обмотке, в вольтах
• Es = напряжение на вторичной обмотке в вольтах
• Ip = ток в первичной обмотке в амперах
• Is = ток во вторичной обмотке в амперах

Обратите внимание на то, что уравнения указывают, что отношение ампер является обратной величиной обмотки или отношения витков, а также отношения напряжений.

Это означает, что трансформатор, имеющий меньшее количество витков на вторичной стороне по сравнению с первичной, может понизить напряжение, но повысит ток. Например:

Предположим, трансформатор имеет соотношение напряжений 6: 1.

Попробуйте найти ток или амперы на вторичной стороне, если ток или ампер на первичной стороне составляет 200 миллиампер.

Предполагать

Ep = 6V (как пример)
Is = 1 В
Ip = 200 мА или 0,2 ампер
=?

Отвечать:

Ep / Es = Is / Ip

Транспонирование для Is:

Is = EpIp / Es

Подставляя:

Is = (6 В x 0,2 А) / 1 В
Is = 1,2 А

В приведенном выше сценарии говорится о том, что, несмотря на то, что напряжение на вторичной обмотке составляет одну шестую напряжения на первичной обмотке, ток во вторичной обмотке в 6 раз больше, чем в первичной обмотке.

Вышеупомянутые уравнения вполне можно рассматривать с альтернативной точки зрения.

Передаточное число обмоток означает сумму, на которую трансформатор увеличивает, увеличивает или уменьшает напряжение, подключенное к первичной обмотке.

Для иллюстрации предположим, что если вторичная обмотка трансформатора имеет вдвое больше витков, чем первичная обмотка, то напряжение, подаваемое на вторичную обмотку, вероятно, будет в два раза больше напряжения на первичной обмотке.

Если вторичная обмотка имеет половину числа витков первичной обмотки, напряжение на вторичной обмотке будет вдвое меньше напряжения на первичной обмотке.

Сказав это, соотношение обмоток вместе с коэффициентом усиления трансформатора составляют обратную связь.

В результате повышающий трансформатор 1: 2 может иметь половину усилителя на вторичной стороне по сравнению с первичной стороной. Понижающий трансформатор 2: 1 может иметь в два раза больший ток во вторичной обмотке по сравнению с первичной обмоткой.

Иллюстрация: Трансформатор с соотношением обмоток 1:12 имеет на вторичной стороне ток 3 ампера. Узнать величину тока в первичной обмотке?

Данный:

Np = 1 ход (например)
Ns = 12 витков
Is = 3А
Lp =?

Отвечать:

Np / Ns = Is / Ip

Подставляя:

Ip = (12 витков x 3 ампер) / 1 виток

Ip = 36A

Расчет взаимной индуктивности

Взаимная индукция - это процесс, при котором одна обмотка проходит через индукцию ЭДС из-за скорости изменения тока соседней обмотки, что приводит к индуктивной связи между обмотками.

Другими словами Взаимная индуктивность - отношение наведенной ЭДС на одной обмотке к скорости изменения тока на другой обмотке, выраженное в следующей формуле:

M = ЭДС / di (t) / dt

Фазирование в трансформаторах:

Обычно, когда мы исследуем трансформаторы, большинство из нас полагает, что напряжение и токи первичной и вторичной обмоток находятся в фазе друг с другом. Однако это может быть не всегда так. В трансформаторах соотношение между напряжением и фазовым углом тока между первичной и вторичной обмотками зависит от того, как эти обмотки повернуты вокруг сердечника. Это зависит от того, вращаются ли они обе против часовой стрелки или по часовой стрелке, или одна обмотка вращается по часовой стрелке, а другая - против часовой стрелки.

Обратимся к следующим диаграммам, чтобы понять, как ориентация обмотки влияет на фазовый угол:

В приведенном выше примере направления намотки выглядят одинаково, то есть как первичная, так и вторичная обмотки повернуты по часовой стрелке. Из-за такой идентичной ориентации фазовый угол выходного тока и напряжения идентичен фазовому углу входного тока и напряжения.

Во втором примере выше видно направление обмотки трансформатора с противоположной ориентацией. Как можно видеть, первичная обмотка направлена ​​по часовой стрелке, а вторичная намотана против часовой стрелки. Из-за этой противоположной ориентации обмотки фазовый угол между двумя обмотками составляет 180 градусов, и наведенный вторичный выход показывает противофазный ток и отклик напряжения.

Точечная запись и точечное соглашение

Во избежание недоразумений используются точечные обозначения или точечные обозначения для обозначения ориентации обмоток трансформатора. Это позволяет пользователю понять характеристики фазового угла входа и выхода, независимо от того, находятся ли первичная и вторичная обмотки в фазе или в противофазе.

Точечное соглашение реализуется посредством точечных меток в начальной точке обмотки, указывающих, находятся ли обмотки в фазе или противофазе друг с другом.

На следующей схеме трансформатора обозначено условное обозначение точки, и это означает, что первичная и вторичная обмотки трансформатора находятся в фазе друг с другом.

Точечная запись, используемая на иллюстрации ниже, показывает точки, расположенные напротив противоположных точек первичной и вторичной обмоток. Это указывает на то, что ориентация обмотки на двух сторонах не одинакова, и поэтому фазовый угол между двумя обмотками будет сдвинут по фазе на 180 градусов, когда на одну из обмоток подается вход переменного тока.

Потери в реальном трансформаторе

Расчеты и формулы, приведенные в предыдущих параграфах, были основаны на идеальном трансформаторе. Однако в реальном мире и для настоящего трансформатора сценарий может сильно отличаться.

Вы обнаружите, что в идеальной конструкции следующие фундаментальные линейные факторы реальных трансформаторов не учитываются:

(a) Многие типы потерь в сердечнике, вместе известные как потери тока намагничивания, могут включать в себя следующие типы потерь:

• Гистерезисные потери: это вызвано нелинейным влиянием магнитного потока на сердечник трансформатора.
• Потери на вихревые токи: эти потери возникают из-за явления, называемого джоулевым нагревом сердечника трансформатора. Оно пропорционально квадрату напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора.

(б) В отличие от идеального трансформатора, сопротивление обмотки реального трансформатора никогда не может иметь нулевое сопротивление. Это означает, что в конечном итоге обмотка будет иметь некоторое сопротивление и связанные с ними индуктивности.

• Джоулевые потери: как объяснялось выше, сопротивление, возникающее на выводах обмотки, приводит к джоулевым потерям.
• Поток утечки: мы знаем, что трансформаторы сильно зависят от магнитной индукции, протекающей через их обмотку. Однако, поскольку обмотка построена на общем едином сердечнике, магнитный поток имеет тенденцию течь через обмотку через сердечник. Это приводит к возникновению импеданса, называемого реактивным сопротивлением первичной / вторичной обмоток, которое способствует потерям в трансформаторе.

(c) Поскольку трансформатор также является своего рода индуктором, он также подвержен влиянию таких явлений, как паразитная емкость и саморезонанс из-за распределения электрического поля. Эта паразитная емкость обычно может быть в трех различных формах, как указано ниже:

• Емкость, возникающая между витками один над другим внутри одного слоя
• Емкость, создаваемая на двух или более смежных слоях
• Емкость, создаваемая между сердечником трансформатора и слоем (слоями) обмотки, прилегающим к сердечнику

Вывод

Из приведенного выше обсуждения мы можем понять, что в практических приложениях расчет трансформатора, особенно трансформатора с железным сердечником, может быть не таким простым, как идеальный трансформатор.

Чтобы получить наиболее точные результаты для данных обмотки, нам, возможно, придется учитывать многие факторы, такие как: плотность потока, площадь сердечника, размер сердечника, ширина язычка, площадь окна, тип материала сердечника и т. Д.

Вы можете узнать больше обо всех этих расчетах под этим сообщением: