Osnove transformatora

Transformatori su obično uređaji koji mogu pretvoriti količine iz jedne vrijednosti u drugu. U ovom ćemo se članku usredotočiti na naponski transformator koji je statična električna komponenta sposobna pretvoriti izmjenični napon iz jedne vrijednosti u drugu bez promjene frekvencije koristeći principe elektromagnetske indukcije.

U jednom od naših prethodnih članaka o izmjeničnoj struji spomenuli smo koliko je transformator bio važan u povijesti izmjenične struje. Glavni je pokretač omogućio izmjeničnu struju. U početku kada su se koristili sustavi temeljeni na istosmjernoj struji, oni se nisu mogli prenositi na velike udaljenosti zbog gubitka snage u vodovima kako se udaljenost (duljina) povećava, što znači da su istosmjerne elektrane morale biti postavljene posvuda, pa je glavni cilj AC bio da se riješi problem prijenosa i bez transformatora, to ne bi bilo moguće jer bi gubici i dalje postojali čak i kod izmjeničnog napona.

S postavljenim transformatorom, izmjenična struja mogla bi se prenositi iz proizvodnih stanica pod vrlo visokim naponom, ali malom strujom što eliminira gubitke u vodu (žicama) zbog vrijednosti I ² R (što daje gubitak snage u vodu). Tada se transformator koristi za pretvorbu visokonaponske, slabe strujne energije u niskonaponsku, jaku strujnu energiju za konačnu raspodjelu unutar zajednice bez promjene frekvencije i jednakom snagom koja se prenosila iz proizvodne stanice (P = IV).

Da bismo bolje razumjeli naponski transformator, najbolje je koristiti njegov najjednostavniji model koji je jednofazni transformator.

Jednofazni transformator

Jednofazni transformator je najčešći (u smislu broja koji se koristi) vrsta naponskih transformatora. Prisutan je u većini "priključenih" uređaja koje koristimo kod kuće i svugdje drugdje.

Koristi se za opisivanje principa rada, konstrukcije itd. Transformatora, jer su drugi transformatori poput varijacije ili modifikacije jednofaznog transformatora. Na primjer, određeni ljudi nazivaju trofazni transformator sastavljenim od 3 jednofazna transformatora.

Jednofazni transformator sastoji se od dvije zavojnice / namota (primarne i sekundarne zavojnice). Ova dva namota postavljena su tako da između njih ne postoji električna veza, pa su namotani oko zajedničkog magnetskog željeza koje se obično naziva jezgrom transformatora, pa dvije zavojnice imaju samo magnetsku vezu između sebe. To osigurava prijenos snage samo putem elektromagnetske indukcije, a transformatore čini korisnima za izolacijske veze.

Operativni princip transformatora:

Kao što je ranije spomenuto, transformator se sastoji od dvije zavojnice; primarne i sekundarne zavojnice u. Primarna zavojnica uvijek predstavlja ulaz u transformator, dok sekundarna zavojnica, izlaz iz transformatora.

Dva glavna efekta definiraju rad transformatora:

Prvi je da struja teče kroz žice postavlja magnetsko polje oko žice. Veličina rezultirajućeg magnetskog polja uvijek je izravno proporcionalna količini struje koja prolazi kroz žicu. Veličina magnetskog polja povećava se ako je žica namotana u zavojnicu. To je princip kojim primarni zavojnica inducira magnetizam. Primjenom napona na primarnu zavojnicu inducira magnetsko polje oko jezgre transformatora.

Drugi učinak koji u kombinaciji s prvim objašnjava operativnu princip transformatora koji se temelji na činjenici da, ako je dirigent omotana oko komad magneta i magnetskih promjena na terenu, promjena magnetskog polja će izazvati struja u vodič, čija će se veličina odrediti brojem zavoja zavojnice vodiča. To je princip pomoću kojeg se sekundarna zavojnica napaja.

Kada se na primarnu zavojnicu primijeni napon, on stvara magnetsko polje oko jezgre, a snaga ovisi o primijenjenoj struji. Stvoreno magnetsko polje tako inducira struju u sekundarnoj zavojnici koja je funkcija veličine magnetskog polja i broja zavoja sekundarne zavojnice.

Ovo radno načelo transformatora također objašnjava zašto je AC trebao biti izumljen, jer će transformator raditi samo kada postoji izmjena u primijenjenom naponu ili struji, jer će tek tada principi elektromagnetske indukcije raditi. Stoga se transformator tada nije mogao koristiti za istosmjernu struju.

Izgradnja transformatora

U osnovi, transformator se sastoji od dva dijela koji uključuju; dvije induktivne zavojnice i laminirana čelična jezgra. Zavojnice su međusobno izolirane i također izolirane kako bi se spriječio kontakt s jezgrom.

Konstrukcija transformatora tako će se ispitati pod konstrukcijom zavojnice i jezgre.

Jezgra transformatora

Jezgra transformatora uvijek je izrađena slaganjem laminiranih čeličnih limova zajedno, osiguravajući između njih minimalni zračni razmak. Jezgra transformatora u novije vrijeme uvijek se sastoji od laminirane čelične jezgre umjesto željezne jezgre kako bi se smanjili gubici uslijed vrtložnih struja.

Postoje tri glavna oblika laminiranih čeličnih limova, a to su E, I i L.

Kad se laminat slaže da bi se stvorila jezgra, uvijek se slažu na takav način da se stranice spoja izmjenjuju. Primjerice, listovi su sastavljeni kao prednja strana tijekom prvog sklopa, bit će okrenuti za sljedeći sklop kao što je prikazano na donjoj slici. To je učinjeno kako bi se spriječilo veliko opiranje zglobova.

Zavojnica

Prilikom izrade transformatora, postaje vrlo važno odrediti vrstu transformatora ili kao korak prema gore ili prema dolje, jer to određuje broj zavoja koji će postojati u primarnoj ili sekundarnoj zavojnici.

Vrste transformatora:

Uglavnom postoje tri vrste naponskih transformatora;

1. Smanjite transformatore

2. Pojačajte transformatore

3. Izolacijski transformatori

Step-down transformatori su transformatori koja daje smanjenu vrijednost napona primijeniti primarne zavojnice na sekundarne zavojnice, a za korak do transformatora, transformator daje povećana vrijednost napona nanosi na primarni svitka, na sekundarna zavojnica.

Izolacijski transformatori su transformatori koji daju jednaki napon primijenjen na primar na sekundaru i na taj se način u osnovi koriste za izolaciju električnih krugova.

Iz gornjeg objašnjenja, stvaranje određene vrste transformatora može se postići samo projektiranjem broja zavoja u svakoj od primarnih i sekundarnih zavojnica kako bi se dobio potreban izlaz, što se prema tome može odrediti omjerom zavoja. Možete pročitati povezani vodič da biste saznali više o različitim vrstama transformatora.

Omjer okretaja transformatora i jednadžba EMF:

Omjer zavoja transformatora (n) dan je jednadžbom;

n = Np / Ns = Vp / Vs

gdje je n = omjer okreta

Np = Broj zavoja u primarnoj zavojnici

Ns = Broj zavoja u sekundarnoj zavojnici

Vp = napon primijenjen na primar

Vs = Napon na sekundaru

Ovi gore opisani odnosi mogu se koristiti za izračunavanje svakog od parametara u jednadžbi.

Gornja je formula poznata kao djelovanje napona transformatora.

Budući da smo tada rekli da snaga ostaje ista nakon transformacije;

Ova gornja formula naziva se strujno djelovanje transformatora. Što služi kao dokaz da transformator ne samo da transformira napon već i transformira struju.

EMF jednadžba:

Broj zavoja zavojnice bilo primarne ili sekundarne zavojnice određuje količinu struje koju ona inducira ili je inducira. Kad se smanji struja primijenjena na primar, jakost magnetskog polja smanjuje se i ista za struju induciranu u sekundarnom namotu.

E = N (dΦ / dt)

Količina napona induciranog u sekundarnom namotu dana je jednadžbom:

Gdje je N broj zavoja u sekundarnom namotu.

Kako fluks sinusno varira, magnetski tok Φ = Φ _max sinwt

Tako

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

Vrijednost srednje kvadratne vrijednosti induciranog EMF dobiva se dijeljenjem maksimalne vrijednosti EMF s √2

Ova je jednadžba poznata kao EMF jednadžba transformatora.

Gdje je: N broj zavoja u namotaju svitka

f je frekvencija toka u hercima

Φ je gustoća magnetskog toka u Weberu

sa svim tim vrijednostima utvrđenim, transformator se tako može konstruirati.

Električna energija

Kao što je ranije objašnjeno, transformatori su stvoreni kako bi osigurali da se vrijednost električne energije generirane u proizvodnim stanicama isporučuje krajnjim korisnicima s malim ili nikakvim gubicima, tako da je u idealnom transformatoru snaga na izlazu (sekundarni namot) uvijek jednaka ulazna snaga. Transformatori se tako nazivaju uređajima s konstantnom snagom, iako mogu mijenjati vrijednosti napona i struje, to se uvijek radi na takav način da je na izlazu dostupna ista snaga na ulazu.

Tako

P _s = P _str

gdje je Ps snaga na sekundarnom, a Pp snaga na primarnom.

Budući da je P = IvcosΦ, onda sam I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Učinkovitost transformatora

Učinkovitost transformatora daje se jednadžbom;

Učinkovitost = (izlazna snaga / ulazna snaga) * 100%

Iako bi izlazna snaga idealnog transformatora trebala biti jednaka ulaznoj snazi, većina transformatora je daleko od idealnog transformatora i doživljava gubitke zbog nekoliko čimbenika.

Neki od gubitaka koje transformator može pretrpjeti navedeni su u nastavku;

1. Gubici bakra

2. Gubici kod histereze

3. Gubici vrtložnih struja

1. Gubici bakra

Ti se gubici ponekad nazivaju gubicima namotaja ili gubicima I ² R. Ti su gubici povezani sa snagom koju odvodi vodič koji se koristi za namot kad struja prolazi kroz njega zbog otpora vodiča. Vrijednost ovog gubitka može se izračunati pomoću formule;

P = I ² R

2. Gubici kod histereze

To je gubitak povezan s nevoljkošću materijala koji se koriste za jezgru transformatora. Kako izmjenična struja mijenja svoj smjer, ona utječe na unutarnju strukturu materijala koji se koristi za jezgru jer podliježe fizičkim promjenama koje također troše dio energije

3. Vrtložni gubici

To je gubitak koji se obično pobjeđuje uporabom laminiranih tankih limova. Gubitak vrtložne struje proizlazi iz činjenice da je jezgra također vodič i inducirat će emf u sekundarnoj zavojnici. Struje inducirane u jezgri prema faradejevom zakonu suprotstavit će se magnetskom polju i dovesti do rasipanja energije.

Faktorizirajući učinak tih gubitaka u izračunima učinkovitosti transformatora, imamo;

Učinkovitost = (ulazna snaga - gubici / ulazna snaga) * 100% Svi parametri izraženi u jedinicama snage.