Grunderna i transformator

Transformatorer är i allmänhet enheter som kan omvandla kvantiteter från ett värde till ett annat. För denna artikel kommer vi att fokusera på spänningstransformatorn, som är en statisk elektrisk komponent som kan omvandla växelspänning från ett värde till ett annat utan att ändra frekvensen med hjälp av principerna för elektromagnetisk induktion.

I en av våra tidigare artiklar om växelström nämnde vi hur viktig transformatorn var i växelströmens historia. Det var den stora möjliggöraren som möjliggjorde växelströmmen. Inledningsvis när DC-baserade system användes kunde de inte överföras över långa sträckor på grund av strömförlust i ledningarna eftersom avståndet (längden) ökar, vilket innebär att DC-kraftstationer måste placeras överallt, så huvudmålet för AC för att lösa överföringsproblemet och utan transformatorn hade det inte varit möjligt eftersom förlusterna fortfarande hade funnits även med AC.

Med transformatorn på plats kan växelström överföras från genereringsstationerna med en mycket hög spänning men låg ström vilket eliminerar förlusterna i ledningen (ledningar) på grund av värdet på I ² R (vilket ger effektförlusten i en linje). Den transformator används sedan för att omvandla den höga spänning, låg ström energi till Låg spänning, hög ström energi för slutlig distribution inom ett samhälle utan att ändra frekvens och på samma effekt som sändes från den genererande stationen (P = IV).

För att bättre förstå spänningstransformatorn är det bäst att använda sin mest förenklade modell som är enfasstransformatorn.

Enfasstransformator

Enfasstransformatorn är den vanligaste typen av spänningstransformatorer (uttryckt i antal som används). Den finns i de flesta av de "inkopplade" apparaterna vi använder hemma och överallt.

Den används för att beskriva funktionsprincipen, konstruktionen etc av en transformator eftersom andra transformatorer är som en variation eller modifiering av enfasstransformatorn. Till exempel hänvisar vissa människor till trefasstransformatorn som består av tre enfasstransformatorer.

Enfasstransformator består av två spolar / lindning (den primära och den sekundära spolen). Dessa två lindningar är anordnade på ett sådant sätt att det inte finns någon elektrisk anslutning mellan dem, varför de lindas runt ett vanligt magnetiskt järn som vanligtvis kallas transformatorns kärna, så att de två spolarna bara har en magnetisk anslutning mellan sig. Detta säkerställer att ström endast överförs via elektromagnetisk induktion och gör transformatorerna också användbara för att isolera anslutningar.

Operationsprincip för transformator:

Som tidigare nämnts består transformatorn av två spolar; den primära och den sekundära spolen. Primärspolen representerar alltid ingången till transformatorn medan sekundärspolen, utmatningen från transformatorn.

Två huvudeffekter definierar transformatorns funktion:

Den första är att en ström som strömmar genom en tråd sätter upp ett magnetfält runt ledningen. Storleken på det resulterande magnetfältet är alltid direkt proportionellt mot mängden ström som passerar genom ledningen. Magnetfältets storlek ökar om tråden lindas i en spolliknande form. Detta är principen med vilken magnetism induceras av den primära spolen. Genom att applicera en spänning på primärspolen inducerar den ett magnetfält runt transformatorns kärna.

Den andra effekten som i kombination med den första förklarar transformatorns funktionsprincip som baseras på det faktum att om en ledare lindas runt en magnetbit och magnetfältet ändras kommer förändringen i magnetfältet att inducera en ström i ledaren, vars storlek kommer att bestämmas av antalet varv hos ledarspolen. Detta är principen med vilken sekundärspolen får energi.

När en spänning appliceras på primärspolen skapar den ett magnetfält runt kärnan styrkan beror på den applicerade strömmen. Det skapade magnetfältet inducerar således en ström i sekundärspolen som är en funktion av magnetfältets storlek och antalet varv hos sekundärspolen.

Denna funktionsprincip för transformatorn förklarar också varför AC måste uppfinnas eftersom transformatorn bara fungerar när det finns en växling i den applicerade spänningen eller strömmen, eftersom först då kommer de elektromagnetiska induktionsprinciperna att fungera. Således kunde transformatorn inte användas för DC då.

Konstruktion av transformatorn

I grund och botten består en transformator av två delar som inkluderar; två induktiva spolar och en laminerad stålkärna. Spolarna är isolerade från varandra och också isolerade för att förhindra kontakt med kärnan.

Transformatorns konstruktion kommer således att undersökas under spol- och kärnkonstruktionen.

Transformerns kärna

Transformatorns kärna är alltid konstruerad genom att stapla laminerade stålplåtar tillsammans, vilket säkerställer att det finns ett minimalt luftspalt mellan dem. Transformatorns kärna består under senare tid alltid av laminerad stålkärna istället för järnkärnor för att minska förluster på grund av virvelström.

Det finns tre huvudformer av de laminerade stålplåtarna att välja mellan, vilka är E, I och L.

När lamineringen staplas ihop för att bilda kärnan staplas de alltid på ett sådant sätt att skarvens sidor växlas. Till exempel, av arken är monterade som framsidor under den första monteringen kommer de att vara bakåt inför nästa montering som visas i bilden nedan. Detta görs för att förhindra hög motvilja vid lederna.

Spole

Vid konstruktion av en transformator blir det mycket viktigt att ange vilken typ av transformator som antingen steg upp eller ned eftersom detta avgör antalet varv som kommer att finnas i den primära eller sekundära spolen.

Typer av transformatorer:

Det finns huvudsakligen tre typer av spänningstransformatorer;

1. Stig ner transformatorer

2. Step Up Transformers

3. Isoleringstransformatorer

Den step-down transformatorer är transformatorer som ger ett reducerat värde på spänningen som appliceras till den primära spolen vid sekundärspolen, medan det för ett steg upp transformator, ger transformatorn ett ökat värde hos spänningen som appliceras på primärspolen, på den sekundära spole.

Isoleringstransformatorer är transformatorer som ger samma spänning som appliceras på den primära vid sekundären och därmed i princip används för att isolera elektriska kretsar.

Från ovanstående förklaring kan skapa en viss typ av transformator endast uppnås genom att utforma antalet varv i var och en av de primära och sekundära spolarna för att ge den erforderliga utgången, detta kan således bestämmas av varvtalet. Du kan läsa igenom den länkade handledningen för att lära dig mer om de olika typerna av transformatorer.

Transformator vrider förhållande och EMF-ekvation:

Transformatorns vridförhållande (n) ges av ekvationen;

n = Np / Ns = Vp / Vs

där n = varvförhållande

Np = Antal varv i primärspolen

Ns = Antal varv i sekundärspole

Vp = Spänning applicerad på primär

Vs = Spänning vid sekundär

Dessa förhållanden som beskrivs ovan kan användas för att beräkna var och en av parametrarna i ekvationen.

Formeln ovan är känd som transformatorns spänningsverkan.

Eftersom vi sa att makten förblir densamma efter transformation då;

Denna formel ovan kallas transformatorns nuvarande åtgärd. Vilket fungerar som ett bevis på att transformatorn inte bara omvandlar spänning utan också omvandlar ström.

EMF-ekvation:

Antalet varv hos spolen för antingen den primära eller sekundära spolen bestämmer mängden ström den inducerar eller induceras av den. När strömmen som appliceras på primärminnet reduceras magnetfältets styrka och densamma för strömmen som induceras i sekundärlindningen.

E = N (dΦ / dt)

Mängden spänning som induceras i sekundärlindningen ges av ekvationen:

Där N är antalet varv i sekundärlindningen.

Eftersom flödet varierar sinusformigt, är det magnetiska flödet Φ = Φ _max sinwt

Således

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

Det roterade medelvärdet av den inducerade emf erhålls genom att dividera det maximala värdet för emf med √2

Denna ekvation är känd som transformatorns EMF-ekvation.

Var: N är antalet varv i lindning

f är flödesfrekvensen i hertz

Φ är den magnetiska flödestätheten i Weber

med alla dessa värden bestämda kan transformatorn således konstrueras.

Elektrisk kraft

Som tidigare förklarats skapades transformatorer för att säkerställa att värdet på elektrisk kraft som genereras vid generationsstationerna levereras till slutanvändare med liten eller ingen förlust, så i en idealisk transformator är effekten vid utgången (sekundärlindning) alltid densamma som ingångseffekten. Transformatorer kallas således enheter för konstant watt, medan de kan ändra spännings- och strömvärdena görs det alltid på ett sådant sätt att samma effekt vid ingången är tillgänglig vid utgången.

Således

P _s = P _p

där Ps är kraften vid sekundär och Pp är effekt vid primär.

Eftersom P = IvcosΦ då jag _s V _s cos _s = I _p V _p cos _p

Effektivitet av en transformator

Effektiviteten hos en transformator ges av ekvationen;

Effektivitet = (uteffekt / ingångseffekt) * 100%

Medan effektutgången för en Ideal-transformator ska vara densamma som strömingången, är de flesta transformatorer långt ifrån Ideal-transformatorn och upplever förluster på grund av flera faktorer.

Några av de förluster som en transformator kan uppleva listas nedan;

1. Kopparförluster

2. Hysteresförluster

3. Eddy strömförluster

1. Kopparförluster

Dessa förluster kallas ibland lindningsförluster eller I ² R-förluster. Dessa förluster är förknippade med den effekt som försvinner av ledaren som används för lindningen när ström passerar genom den på grund av ledarens motstånd. Värdet på denna förlust kan beräknas med formeln;

P = I ² R

2. Hysteresförluster

Detta är en förlust relaterad till motviljan mot de material som används för transformatorns kärna. När växelströmmen vänder sin riktning påverkar den den inre strukturen hos materialet som används för kärnan eftersom det tenderar att genomgå fysiska förändringar som också förbrukar en del av energin

3. Eddy Current Losses

Detta är en förlust som vanligtvis erövras genom användning av laminerade tunna stålplåtar. Virvelströmsförlusten härrör från det faktum att kärnan också är en ledare och kommer att inducera en emf i sekundärspolen. Strömmarna som induceras i kärnan enligt faradays lag kommer att motsätta sig magnetfältet och leda till energiförlust.

Att beakta effekten av dessa förluster i transformatorns effektivitetsberäkningar har vi;

Effektivitet = (ingångseffekt - förluster / ingångseffekt) * 100% Alla parametrar uttryckta i kraftenheter.