Cum funcționează transformatoarele

Conform definiției date în Wikipedia un transformator electric este un echipament staționar care face schimb de energie electrică prin câteva bobine înfășurate strâns, prin inducție magnetică.

Un curent în continuă schimbare într-o înfășurare a transformatorului generează un flux magnetic variabil, care, în consecință, induce o forță electromotivă variabilă pe o a doua bobină construită peste același miez.

Principiul de lucru de bază

Transformatoarele funcționează practic prin transferul de energie electrică între o pereche de bobine prin inducție reciprocă, fără a depinde de vreo formă de contact direct între cele două înfășurări.

Acest proces de transfer al energiei electrice prin inducție a fost dovedit pentru prima dată de legea inducției Faraday, în anul 1831. Conform acestei legi, tensiunea indusă în două bobine este creată datorită unui flux magnetic variabil care înconjoară bobina.

Funcția fundamentală a unui transformator este de a intensifica sau descrește o tensiune / curent alternativ, la diferite proporții conform cerințelor aplicației. Proporțiile sunt stabilite de numărul de ture și de raportul de rotație al înfășurării.

Analiza unui transformator ideal

Ne putem imagina un transformator ideal pentru a fi un proiect ipotetic care poate fi practic fără nicio formă de pierderi. Mai mult, acest design ideal poate avea înfășurarea primară și secundară perfect corelate între ele.

Adică legătura magnetică dintre cele două înfășurări se face printr-un miez a cărui permeabilitate magnetică este infinită și cu inductanțe de înfășurare la o forță magnetomotorie zero totală.

Știm că într-un transformator, curentul alternativ aplicat în înfășurarea primară încearcă să impună un flux magnetic variabil în interiorul miezului transformatorului, care include și înfășurarea secundară înconjurată în jurul său.

Datorită acestui flux variabil, o forță electromotivă (CEM) este indusă pe înfășurarea secundară prin inducție electromagnetică. Acest lucru are ca rezultat generarea de flux pe înfășurarea secundară cu o magnitudine opusă, dar egală cu fluxul de înfășurare primar, conform Legea Lenz'z .

Deoarece nucleul are o permeabilitate magnetică infinită, întregul flux magnetic (100%) este capabil să fie transferat prin cele două înfășurări.

Aceasta implică faptul că, atunci când primarul este supus unei surse de curent alternativ și o sarcină este conectată la bornele secundare de înfășurare, curentul circulă prin înfășurarea respectivă în direcții, așa cum este indicat în următoarea diagramă. În această condiție, forța magnetomotivă centrală este neutralizată la zero.

Imagine oferită de: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

În acest design ideal al transformatorului, deoarece transferul fluxului prin înfășurarea primară și secundară este de 100%, conform legii lui Faraday, tensiunea indusă pe fiecare dintre înfășurări va fi perfect proporțională cu numărul de spire ale înfășurării, așa cum se arată în cele ce urmează figura:

Test video care verifică relația liniară între raportul de viraj primar / secundar.

TURNURI ȘI RATIUNI DE TENSIUNE

Să încercăm să înțelegem detaliat calculele raportului de rotație:

Magnitudinea netă a tensiunii induse de la înfășurarea primară la secundară este pur și simplu determinată de raportul numărului de spire înfășurate pe secțiunile primare și secundare.

Cu toate acestea, această regulă se aplică numai dacă transformatorul este aproape de un transformator ideal.

Un transformator ideal este acel transformator care are pierderi neglijabile sub formă de efect de piele sau curent turbionar.

Să luăm exemplul din figura 1 de mai jos (pentru un transformator ideal).

Să presupunem că înfășurarea primară constă în aproximativ 10 spire, în timp ce secundara cu o singură înfășurare. Datorită inducției electromagnetice, liniile de flux generate prin înfășurarea primară ca răspuns la intrarea AC, se extind și se prăbușesc alternativ, tăind cele 10 spire ale înfășurării primare. Acest lucru are ca rezultat o cantitate exact proporțională de tensiune a fost indusă de-a lungul înfășurării secundare, în funcție de raportul de rotație.

Înfășurarea alimentată cu intrare de curent alternativ devine înfășurarea primară, în timp ce înfășurarea complementară care produce ieșirea prin inducție magnetică de la primar devine înfășurarea secundară.

Figura 1)

Deoarece secundarul are doar o singură rotație, experimentează un flux magnetic proporțional pe rotația sa unică față de cele 10 rotații ale primarului.

Prin urmare, deoarece tensiunea aplicată în primar este de 12 V, atunci fiecare dintre înfășurările sale ar fi supusă cu un contor EMF de 12/10 = 1,2 V, și aceasta este exact magnitudinea tensiunii care ar influența singura rotație prezentă în secțiunea secundară. Acest lucru se datorează faptului că are o singură înfășurare care este capabilă să extragă doar aceeași cantitate echivalentă de inducție care ar putea fi disponibilă pe o singură rotație a primarului.

Astfel, secundarul cu o singură rotație ar putea extrage 1,2V din primar.

Explicația de mai sus indică faptul că numărul de spire ale unui transformator primar corespunde liniar cu tensiunea de alimentare de-a lungul acestuia și tensiunea pur și simplu se împarte la numărul de spire.

Astfel, în cazul de mai sus, deoarece tensiunea este de 12V, iar numărul de rotații este de 10, contorul net EMF indus peste fiecare dintre rotații ar fi 12/10 = 1,2V

Exemplul nr. 2

Acum să vizualizăm figura 2 de mai jos, arată un tip de configurație similar cu cel din figura 1. așteptați secundarul care are acum 1 tura suplimentară, adică 2 numere de ture.

Inutil să spun că acum secundarul va trece de două ori mai multe linii de flux comparativ cu condiția din figura 1, care avea doar o singură rotație.

Așadar, aici înfășurarea secundară s-ar citi în jurul valorii de 12/10 x 2 = 2,4V, deoarece cele două spire ar fi influențate de o magnitudine a contorului EMF care poate fi echivalentă pe cele două înfășurări de pe partea primară a trafo-ului.

Prin urmare, din discuția de mai sus, în general, putem concluziona că într-un transformator relația dintre tensiunea și numărul de rotații între primar și secundar sunt destul de liniare și proporționale.

Transformer Turn Numere

Astfel, formula derivată pentru calcularea numărului de spire pentru orice transformator poate fi exprimată ca:

Es / Ep = Ns / Np

Unde,

• Es = Tensiune secundară ,
• Ep = Tensiunea primară,
• Ns = Numărul de ture secundare,
• Np = Numărul de ture principale.

Raport primar secundar de rotație

Ar fi interesant de observat că formula de mai sus indică o relație simplă între raportul dintre tensiunea secundară și primară și numărul de spire secundar față de primar, care sunt indicate ca fiind proporționale și egale.

Prin urmare, ecuația de mai sus poate fi exprimată și ca:

Ep x Ns = Es x Np

Mai departe, putem obține formula de mai sus pentru rezolvarea Es și Ep așa cum se arată mai jos:

Es = (Ep x Ns) / Np

în mod similar,

Ep = (Es x Np) / Ns

Ecuația de mai sus arată că dacă sunt disponibile 3 magnitudini, a patra magnitudine ar putea fi ușor determinată prin rezolvarea formulei.

Rezolvarea problemelor practice de înfășurare a transformatorului

Cazul de la punctul # 1: Un transformator posedă 200 de ture în secțiunea primară, 50 de ture în secundar și 120 de volți conectați în primar (Ep). Care ar putea fi tensiunea pe secundar (E s)?

Dat:

• Np = 200 de rotații
• Ns = 50 de spire
• Ep = 120 volți
• Este =? volți

Răspuns:

Es = EpNs / Np

Înlocuind:

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

Es = 30 volți

Cazul de la punctul # 2 : Să presupunem că avem 400 de ture de sârmă într-o bobină cu miez de fier.

Presupunând că bobina trebuie să fie folosită ca înfășurarea primară a unui transformator, calculați numărul de rotații care trebuie înfășurate pe bobină pentru a dobândi înfășurarea secundară a transformatorului pentru a asigura o tensiune secundară de un volt cu o situație în care tensiunea este de 5 volți?

Dat:

• Np = 400 de rotații
• Ep = 5 volți
• Es = 1 volți
• Ns =? se întoarce

Răspuns:

EpNs = EsNp

Transpunerea pentru Ns:

Ns = EsNp / Ep

Înlocuind:

Ns = (1V x 400 spire) / 5 volți

Ns = 80 de spire

Ține minte: Raportul tensiunii (5: 1) este echivalent cu raportul de înfășurare (400: 80). Ocazional, ca înlocuitor pentru anumite valori, te găsești atribuit cu un raport de rotație sau tensiune.

În astfel de cazuri, puteți presupune pur și simplu orice număr arbitrar pentru una dintre tensiuni (sau înfășurare) și puteți calcula cealaltă valoare alternativă din raport.

Ca o ilustrație, să presupunem că un raport de înfășurare este atribuit ca 6: 1, vă puteți imagina o cantitate de viraj pentru secțiunea primară și puteți afla numărul secundar echivalent de viraje, folosind proporții similare, cum ar fi 60:10, 36: 6, 30: 5 etc.

Transformatorul din toate exemplele de mai sus poartă un număr mai mic de spire în secțiunea secundară comparativ cu secțiunea primară. Din acest motiv, puteți găsi o cantitate mai mică de tensiune în secundarul trafo, mai degrabă decât în ​​partea primară.

Ce sunt transformatoarele Step-Up și Step-Down

Un transformator având tensiunea secundară nominală inferioară valorii tensiunii laterale primare este denumit a Transformator STEP-DOWN .

Sau, alternativ, dacă intrarea de curent alternativ este aplicată înfășurării care are un număr mai mare de spire, atunci transformatorul acționează ca un transformator cu trepte.

Raportul unui transformator de descărcare cu patru la unu este înscris ca 4: 1. Un transformator care include un număr mai mic de spire în partea primară în comparație cu partea secundară va genera o tensiune mai mare pe partea secundară în comparație cu tensiunea conectată pe partea primară.

Un transformator care are o latură secundară nominală peste tensiunea pe partea primară este denumit transformator STEP-UP. Sau, alternativ, dacă intrarea de curent alternativ se aplică unei înfășurări care are un număr mai mic de spire, atunci transformatorul acționează ca un transformator treptat.

Raportul unui transformator treptat unu la patru trebuie să fie inscripționat ca 1: 4. După cum puteți vedea în cele două rapoarte, magnitudinea înfășurării laterale primare este menționată constant la început.

Putem folosi un transformator pas cu pas ca transformator pas cu pas și invers?

Da cu siguranta! Toate transformatoarele funcționează cu același principiu fundamental descris mai sus. Utilizarea unui transformator step-up ca transformator step-down înseamnă pur și simplu schimbarea tensiunilor de intrare pe înfășurarea lor primară / secundară.

De exemplu, dacă aveți un transformator step-up de alimentare obișnuit care vă oferă o ieșire de 12-0-12V de la o intrare de 220V AC, puteți utiliza același transformator ca un transformator step-up pentru a produce ieșire de 220V dintr-un 12V AC intrare.

Un exemplu clasic este un circuit invertor , unde transformatoarele nu au nimic special în ele. Toate funcționează folosind transformatoarele obișnuite descendente conectate în mod opus.

Impactul încărcării

Ori de câte ori o sarcină sau un dispozitiv electric este conectat la înfășurarea secundară a unui transformator, curentul sau amplificatorii traversează partea secundară a înfășurării împreună cu sarcina.

Fluxul magnetic generat de curentul din înfășurarea secundară interacționează cu liniile magnetice de flux generate de amplificatorii din partea primară. Acest conflict dintre cele două linii de fluxuri este generat ca urmare a inductanței comune între înfășurarea primară și secundară.

Flux reciproc

Fluxul absolut în materialul central al transformatorului este predominant atât înfășurărilor primare, cât și secundare. În plus, este un mod prin care puterea electrică poate migra de la înfășurarea primară la înfășurarea secundară.

Datorită faptului că acest flux unește ambele înfășurări, fenomenul cunoscut în general ca FLUX MUTUAL. De asemenea, inductanța care generează acest flux este predominantă atât pentru înfășurări și se numește inductanță reciprocă.

Figura (2) de mai jos prezintă fluxul creat de curenții în înfășurarea primară și secundară a unui transformator de fiecare dată când curentul de alimentare este pornit în înfășurarea primară.

Figura (2)

Ori de câte ori rezistența la sarcină este conectată la înfășurarea secundară, tensiunea stimulată în înfășurarea secundară declanșează curentul să circule în înfășurarea secundară.

Acest curent produce un inel de flux în jurul înfășurării secundare (indicat ca linii punctate) care poate fi o alternativă la câmpul de flux din jurul primarului (legea lui Lenz).

În consecință, fluxul din jurul înfășurării secundare anulează cea mai mare parte a fluxului din jurul înfășurării primare.

Cu o cantitate mai mică de flux care înconjoară înfășurarea primară, EMF inversă este redusă și mai multe amperi sunt aspirate din alimentare. Curentul suplimentar din înfășurarea primară eliberează linii suplimentare de flux, restabilind destul de mult cantitatea inițială de linii de flux absolute.

TURNURI ȘI RATIUNI ACTUALE

Cantitatea de linii de flux produse într-un miez trafo este proporțională cu forța de magnetizare

(IN AMPERE-TURNS) a înfășurărilor primare și secundare.

Turnul amperial (I x N) este indicativ al forței magnetice motrice, putând fi înțeleasă a fi forța magnetomotivă produsă de un amper de curent care rulează într-o bobină de 1 tură.

Fluxul disponibil în miezul unui transformator înconjoară împreună înfășurările primare și secundare.

Având în vedere că fluxul este identic pentru fiecare înfășurare, amperi-rotații în fiecare înfășurare primară și secundară ar trebui să fie întotdeauna la fel.

Pentru acest motiv:

IpNp = IsNs

Unde:

IpNp = ampere / viraje în înfășurarea primară
IsNs - amperi / rotiri în înfășurarea secundară

Prin împărțirea ambelor părți ale expresiei la
Ip , primim:
Np / Ns = Is / Ip

de cand: Es / Ep = Ns / Np

Atunci: Ep / Es = Np / Ns

De asemenea: Ep / Es = Is / Ip

Unde

• Ep = tensiunea aplicată în primar în volți
• Es = tensiune pe secundar în volți
• Ip = curent în primar în Amp
• Is = curent în secundar în amperi

Observați că ecuațiile indică raportul amperilor ca fiind inversul înfășurării sau al raportului de rotație, precum și al raportului de tensiune.

Acest lucru implică, un transformator care posedă un număr mai mic de rotații în partea secundară în comparație cu cea primară poate reduce tensiunea, dar ar intensifica curentul. De exemplu:

Un transformator să presupună că are un raport de tensiune 6: 1.

Încercați să găsiți curentul sau amplificatorii în partea secundară dacă curentul sau amplificatorul din partea primară este de 200 miliamperi.

Presupune

Ep = 6V (ca exemplu)
Este = 1V
Ip = 200mA sau 0.2Amps
Este =?

Răspuns:

Ep / Es = Is / Ip

Transpunerea pentru este:

Is = EpIp / Es

Înlocuind:

Este = (6V x 0.2A) / 1V
Este = 1,2A

Scenariul de mai sus abordează faptul că, în ciuda faptului că tensiunea înfășurarea secundară este de o șesime din tensiunea înfășurării primare, amplificatorii din înfășurarea secundară sunt de 6 ori amperi în înfășurarea primară.

Ecuațiile de mai sus ar putea fi foarte bine privite dintr-o perspectivă alternativă.

Raportul de înfășurare înseamnă suma prin care transformatorul crește sau mărește sau reduce tensiunea conectată la partea primară.

Doar pentru a ilustra, să presupunem că dacă înfășurarea secundară a unui transformator are un număr dublu de rotații ca înfășurarea primară, tensiunea stimulată în partea secundară va fi probabil de două ori mai mare decât cea a înfășurării primare.

În cazul în care înfășurarea secundară transportă jumătate din numărul de rotații pe partea primară, tensiunea pe partea secundară va fi jumătate din tensiunea pe înfășurarea primară.

Acestea fiind spuse, raportul de înfășurare împreună cu raportul de amplificare al unui transformator cuprind o asociere inversă.

Ca rezultat, un transformator 1: 2 step-up ar putea avea jumătate din amplificatorul din partea secundară în comparație cu partea primară. Un transformator descendent 2: 1 poate avea de două ori amplificatorul în înfășurarea secundară în raport cu partea primară.

Ilustrare: Un transformator cu un raport de înfășurare de 1:12 are 3 amperi de curent în partea secundară. Aflați magnitudinea amplificatorilor în înfășurarea primară?

Dat:

Np = 1 tura (de exemplu)
Ns = 12 spire
Este = 3Amp
Lp =?

Răspuns:

Np / Ns = Is / Ip

Înlocuind:

Ip = (12 spire x 3 Amp) / 1 spire

Ip = 36A

Calculul inductanței reciproce

Inducția reciprocă este un proces în care o înfășurare trece printr-o inducție EMF datorită vitezei de schimbare a curentului înfășurării adiacente care duce la o cuplare inductivă între înfășurare.

Cu alte cuvinte Inductanță mutuală este raportul dintre emf indus pe o înfășurare și rata de schimbare a curentului pe cealaltă înfășurare, așa cum este exprimat în următoarea formulă:

M = emf / di (t) / dt

Etaparea în transformatoare:

În mod normal, atunci când examinăm transformatoarele, majoritatea dintre noi credem că tensiunea și curenții primari și secundari de înfășurare sunt în fază una cu cealaltă. Cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna adevărat. În transformatoare, relația dintre tensiune, unghiul de fază curent între primar și secundar se bazează pe modul în care aceste înfășurări sunt rotite în jurul miezului. Depinde dacă ambele sunt în sens invers acelor de ceasornic sau în sensul acelor de ceasornic sau poate fi o înfășurare rotită în sensul acelor de ceasornic, în timp ce cealaltă înfășurare în sens invers acelor de ceasornic.

Să ne referim la următoarele diagrame pentru a înțelege modul în care orientarea înfășurării afectează unghiul de fază:

În exemplul de mai sus, direcțiile de înfășurare arată identic, adică înfășurarea primară și secundară sunt rotite în sensul acelor de ceasornic. Datorită acestei orientări identice, unghiul de fază al curentului și tensiunii de ieșire este identic cu unghiul de fază al curentului și tensiunii de intrare.

În al doilea exemplu de mai sus, direcția de înfășurare a transformatorului poate fi văzută înfășurată cu orientare opusă. După cum se poate vedea, primarul pare să fie direcția în sensul acelor de ceasornic, în timp ce secundarul este înfășurat în sens invers acelor de ceasornic. Datorită acestei orientări opuse a înfășurării, unghiul de fază dintre cele două înfășurări este la o distanță de 180 de grade, iar ieșirea secundară indusă arată un răspuns de tensiune și curent de fază.

Notarea Dot și Convenția Dot

Pentru a evita confuziile, notația Dot sau convenția Dot sunt folosite pentru a reprezenta orientarea înfășurării unui transformator. Acest lucru permite utilizatorului să înțeleagă specificațiile unghiului de fază de intrare și de ieșire, indiferent dacă înfășurarea primară și secundară sunt în fază sau defazate.

Convenția de puncte este implementată prin semne de puncte peste punctul de pornire a înfășurării, indicând dacă înfășurarea este în fază sau este defazată una cu cealaltă.

Următoarea schemă a transformatorului poartă o denotație a convenției punct și înseamnă că primarul și secundarul transformatorului sunt în fază unul cu celălalt.

Notarea punct utilizată în ilustrația de mai jos arată DOT-urile plasate în punctele opuse ale înfășurării primare și secundare. Acest lucru indică faptul că orientarea înfășurării celor două părți nu este aceeași și, prin urmare, unghiul de fază dintre cele două înfășurări va fi defazat cu 180 de grade atunci când se aplică o intrare de curent alternativ pe una dintre înfășurări.

Pierderi într-un transformator real

Calculele și formulele luate în considerare în paragrafele de mai sus s-au bazat pe un transformator ideal. Cu toate acestea, în lumea reală și pentru un transformator real, scenariul poate fi mult diferit.

Veți găsi că într-un design ideal următorii factori liniari fundamentali ai transformatoarelor reale vor fi ignorați:

(a) Multe tipuri de pierderi de bază, cunoscute împreună sub numele de pierderi de curent de magnetizare, care pot include următoarele tipuri de pierderi:

• Pierderi de histerezis: aceasta este cauzată de influențe neliniare ale fluxului magnetic asupra miezului transformatorului.
• Pierderi de curent turbionar: Această pierdere este generată datorită fenomenului numit încălzire în juli în miezul transformatorului. Este proporțional cu pătratul tensiunii aplicate primarului transformatorului.

(b) Spre deosebire de transformatorul ideal, rezistența înfășurării într-un transformator real nu poate avea niciodată o rezistență zero. Adică înfășurarea va avea în cele din urmă o anumită rezistență și inductanțe asociate.

• Pierderi în Joule: Așa cum s-a explicat mai sus, rezistența generată la bornele înfășurării dă naștere pierderilor în Joule.
• Flux de scurgere: Știm că transformatoarele depind în mare măsură de inducția magnetică de-a lungul înfășurării lor. Cu toate acestea, deoarece înfășurarea este construită pe un singur miez comun, fluxul magnetic prezintă o tendință de scurgere prin înfășurare prin miez. Acest lucru dă naștere la o impedanță numită impedanță reactivă primară / secundară, care contribuie la pierderile transformatorului.

(c) Deoarece un transformator este, de asemenea, un fel de inductor, acesta este, de asemenea, afectat de fenomene, cum ar fi capacitatea parazită și auto-rezonanța, din cauza distribuției câmpului electric. Aceste capacități parazitare pot fi de obicei sub 3 forme diferite, după cum se arată mai jos:

• Capacitatea generată între viraje una peste alta în interiorul unui singur strat
• Capacitate generată pe două sau mai multe straturi alăturate
• Capacitate creată între miezul transformatorului și stratul (straturile) de înfășurare care se află adiacent miezul

Concluzie

Din discuția de mai sus, putem înțelege că în aplicațiile practice calcularea unui transformator, în special a unui transformator cu miez de fier, nu poate fi la fel de simplă precum ar fi un transformator ideal.

Pentru a obține cele mai precise rezultate pentru datele de înfășurare, ar trebui să luăm în considerare mulți factori, cum ar fi: densitatea fluxului, zona miezului, dimensiunea miezului, lățimea limbii, zona ferestrei, tipul materialului miez etc.

Puteți afla mai multe despre toate aceste calcule sub această postare: