Основи трансформатора

Трансформатори, як правило, це пристрої, здатні перетворювати величини з одного значення в інше. У цій статті ми зосередимося на трансформаторі напруги, який є статичним електричним компонентом, здатним перетворювати змінну напругу з одного значення в інше без зміни частоти, використовуючи принципи електромагнітної індукції.

В одній з наших попередніх статей про змінний струм ми згадували, наскільки важливим був трансформатор в історії змінного струму. Це був основний фактор, який зробив можливим змінний струм. Спочатку, коли використовували системи на основі постійного струму, їх не можна було переносити на великі відстані через втрату потужності в лініях із збільшенням відстані (довжини), що означає, що електростанції постійного струму повинні були розміщуватися скрізь, отже, основною метою змінного струму було для вирішення проблеми передачі та без трансформатора це було б неможливо, оскільки втрати все одно існували б навіть при змінній мережі.

Якщо трансформатор встановлений, змінний струм може передаватися від генеруючих станцій з дуже високою напругою, але низьким струмом, що усуває втрати в лінії (дроти) через величину I ² R (що дає втрати потужності в лінії). Потім трансформатор використовується для перетворення високовольтної, низьковольтної енергії в низьковольтну енергію високого струму для остаточного розподілу всередині громади без зміни частоти та з тією ж потужністю, яка передавалася від генеруючої станції (P = IV).

Щоб краще зрозуміти трансформатор напруги, найкраще використовувати його найбільш спрощену модель - однофазний трансформатор.

Однофазний трансформатор

Однофазний трансформатор є найпоширенішим (з точки зору числа, що використовується) видом трансформаторів напруги. Він присутній у більшості «підключених» приладів, якими ми користуємося вдома та скрізь.

Він використовується для опису принципу роботи, конструкції тощо трансформатора, оскільки інші трансформатори схожі на варіацію або модифікацію однофазного трансформатора. Наприклад, деякі люди відносяться до трифазного трансформатора, що складається з 3 однофазних трансформаторів.

Однофазний трансформатор складається з двох котушок / обмотки (первинна та вторинна котушки). Ці дві обмотки розташовані таким чином, що між ними не існує електричного зв'язку, отже, вони намотані навколо загального магнітного заліза, яке зазвичай називають сердечником трансформатора, таким чином, дві котушки мають між собою лише магнітний зв'язок. Це забезпечує передачу потужності лише за допомогою електромагнітної індукції, а також робить трансформатори корисними для ізолюючих з'єднань.

Принцип роботи трансформатора:

Як вже згадувалося раніше, трансформатор складається з двох котушок; первинні і вторинні обмотки. Первинна котушка завжди представляє вхід в трансформатор, а вторинна котушка - вихід з трансформатора.

Два основні ефекти визначають роботу трансформатора:

Перший полягає в тому, ток, що протікає через провід встановлює магнітне поле навколо дроту. Величина результуючого магнітного поля завжди прямо пропорційна величині струму, що проходить через провід. Величина магнітного поля збільшується, якщо дріт намотати у котушкоподібну форму. Це принцип, за допомогою якого магнетизм індукується первинною котушкою. Подаючи напругу на первинну котушку, вона індукує магнітне поле навколо сердечника трансформатора.

Другий ефект, який в поєднанні з першим пояснює принцип роботи трансформатора, який заснований на тому факті, що, якщо провідник намотують навколо шматка магніту і магнітного поля змінюється, зміна в магнітному полі індукує струм в провідник, величина якого буде визначатися кількістю витків котушки провідника. Це принцип, за допомогою якого вторинна котушка отримує напругу.

Коли напруга подається на первинну котушку, вона створює магнітне поле навколо сердечника, сила якого залежить від прикладеного струму. Таким чином, створене магнітне поле індукує струм у вторинній котушці, який є функцією величини магнітного поля та числа витків вторинної котушки.

Цей принцип роботи трансформатора також пояснює, чому потрібно було винаходити змінний струм, оскільки трансформатор буде працювати лише тоді, коли буде зміна прикладеної напруги або струму, оскільки лише тоді будуть працювати принципи електромагнітної індукції. Таким чином, трансформатор тоді не можна було використовувати для постійного струму.

Будівництво трансформатора

В основному трансформатор складається з двох частин, які включають; дві індуктивні котушки та ламінована сталева серцевина. Котушки ізольовані один від одного, а також ізольовані, щоб запобігти контакту з серцевиною.

Таким чином, конструкція трансформатора буде розглянута під конструкцією котушки та серцевини.

Ядро трансформатора

Сердечник трансформатора завжди побудований шляхом складання ламінованих листів сталі між собою, забезпечуючи мінімальний зазор між ними. Сердечник трансформаторів останнім часом завжди складається із багатошарової сталевої серцевини замість залізних сердечників, щоб зменшити втрати через вихровий струм.

На вибір є три основні форми ламінованих сталевих листів, а саме E, I та L.

Складаючи ламінат разом, щоб сформувати серцевину, вони завжди укладаються таким чином, що сторони стику чергуються. Наприклад, аркуші, зібрані як лицьові сторони під час першого складання, вони будуть повернуті для наступного складання, як показано на малюнку нижче. Це робиться для запобігання високого небажання суглобів.

Котушка

При побудові трансформатора стає дуже важливим вказати тип трансформатора як підвищений або знижений, оскільки це визначає кількість витків, які будуть існувати в первинній або вторинній котушці.

Типи трансформаторів:

В основному існує три типи трансформаторів напруги;

1. Знизьте трансформатори

2. Посилення трансформаторів

3. Ізоляційні трансформатори

Понижуючі трансформатори є трансформаторами, які дають знижене значення напруги, що додається до первинної котушці на вторинній обмотці, в той час як на етапі підвищувального трансформатора, трансформатор забезпечує підвищене значення напруги, прикладена до первинної котушці, на вторинному котушка.

Ізоляційні трансформатори - це трансформатори, які видають однакову напругу, подану на первинну на вторинній і, таким чином, в основному використовуються для ізоляції електричних ланцюгів.

З наведеного вище пояснення, створення певного типу трансформатора може бути досягнуто лише шляхом проектування кількості витків у кожній з первинної та вторинної котушок для отримання необхідної вихідної сили, що, таким чином, може бути визначено відношенням витків. Ви можете прочитати підручник, щоб дізнатись більше про різні типи трансформаторів.

Коефіцієнт поворотів трансформатора та рівняння ЕРС:

Коефіцієнт поворотів трансформатора (n) задається рівнянням;

n = Np / Ns = Vp / Vs

де n = відношення оборотів

Np = кількість витків у первинній котушці

Ns = Кількість витків у вторинній котушці

Vp = напруга, яка подається на первинну

Vs = напруга на вторинній

Ці описані вище співвідношення можуть бути використані для обчислення кожного з параметрів у рівнянні.

Наведена вище формула відома як дія напруги трансформаторів.

Оскільки ми говорили, що сила залишається незмінною і після трансформації;

Ця наведена вище формула називається дією струму трансформатора. Що служить доказом того, що трансформатор не тільки перетворює напругу, але і трансформує струм.

Рівняння ЕРС:

Кількість витків котушки первинної або вторинної котушки визначає величину струму, яку вона індукує, або індукується нею. Коли струм, що подається на первинну частину, зменшується, сила магнітного поля зменшується і така ж для струму, індукованого у вторинній обмотці.

E = N (dΦ / dt)

Величина напруги, індукованої у вторинній обмотці, задається рівнянням:

Де N - кількість витків у вторинній обмотці.

Оскільки потік змінюється синусоїдально, магнітний потік Φ = Φ _max sinwt

таким чином

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

Середньоквадратичне значення Induced Emf отримується шляхом ділення максимального значення emf на √2

Це рівняння відоме як рівняння ЕРС трансформаторів.

Де: N - кількість витків в обмотці котушки

f - частота потоку в герцах

Φ - густина магнітного потоку у Вебері

з усіма цими значеннями, визначеними, трансформатор таким чином може бути побудований.

Електроенергія

Як пояснювалося раніше, трансформатори були створені для того, щоб величина електричної енергії, що генерується на генеруючих станціях, надходила до кінцевих споживачів з незначними або відсутніми втратами, тому в ідеальному трансформаторі потужність на виході (вторинна обмотка) завжди однакова вхідна потужність. Таким чином, трансформатори називаються пристроями постійної потужності, хоча вони можуть змінювати значення напруги та струму, це завжди робиться таким чином, що однакова потужність на вході доступна на виході.

Таким чином

P _s = P _p

де Ps - потужність на вторинній і Pp - потужність на первинній.

Оскільки P = IvcosΦ, то I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Ефективність трансформатора

Ефективність трансформатора задається рівнянням;

Ефективність = (вихідна потужність / вхідна потужність) * 100%

Хоча вихідна потужність ідеального трансформатора повинна бути такою ж, як і вхідна потужність, більшість трансформаторів далекі від ідеального трансформатора і зазнають втрат через кілька факторів.

Деякі збитки, які може зазнати трансформатор, перелічені нижче;

1. Втрати міді

2. Втрати від гістерезису

3. Втрати на вихровий струм

1. Втрати міді

Ці втрати іноді називають втратами від обмотки або втратами I ² R. Ці втрати пов'язані з потужністю, що розсіюється провідником, який використовується для обмотки, коли струм проходить через нього через опір провідника. Значення цієї втрати можна розрахувати за формулою;

P = I ² R

2. Втрати від гістерезису

Це втрати, пов'язані з небажанням матеріалів, що використовуються для сердечника трансформатора. Оскільки змінний струм змінює свій напрямок, він впливає на внутрішню структуру матеріалу, що використовується для серцевини, оскільки він, як правило, зазнає фізичних змін, які також витрачають частину енергії

3. Втрати на вихрові струми

Це втрати, які зазвичай долаються використанням ламінованих тонких листів сталі. Втрати на вихровий струм виникають внаслідок того, що сердечник також є провідником і буде індукувати ЕРС у вторинній котушці. Струми, індуковані в ядрі згідно із законом Фарадея, будуть протистояти магнітному полю і призвести до розсіювання енергії.

Ми враховуємо вплив цих втрат на розрахунки ефективності трансформатора;

ККД = (вхідна потужність - втрати / вхідна потужність) * 100% Всі параметри виражаються в одиницях потужності.