Основы трансформатора

Трансформаторы, как правило, представляют собой устройства, способные преобразовывать величины из одного значения в другое. В этой статье мы сосредоточимся на трансформаторе напряжения, который представляет собой статический электрический компонент, способный преобразовывать переменное напряжение из одного значения в другое без изменения частоты, используя принципы электромагнитной индукции.

В одной из наших предыдущих статей о переменном токе мы упоминали, насколько важен трансформатор в истории переменного тока. Это был главный фактор, благодаря которому стал возможен переменный ток. Первоначально, когда использовались системы на основе постоянного тока, их нельзя было передавать на большие расстояния из-за потери мощности в линиях по мере увеличения расстояния (длины), что означало, что электростанции постоянного тока должны были быть размещены повсюду, поэтому основной целью переменного тока была решить проблему с передачей и без трансформатора, это было бы невозможно, поскольку потери все равно существовали бы даже с переменным током.

При установленном трансформаторе переменный ток может передаваться от генерирующих станций с очень высоким напряжением, но низким током, что устраняет потери в линии (проводах) из-за значения I ² R (которое дает потери мощности в линии).. Затем трансформатор используется для преобразования энергии высокого напряжения, низкого тока в энергию низкого напряжения, высокого тока для окончательного распределения внутри сообщества без изменения частоты и с той же мощностью, которая была передана от генерирующей станции (P = IV).

Чтобы лучше понять трансформатор напряжения, лучше всего использовать его наиболее упрощенную модель - однофазный трансформатор.

Однофазный трансформатор

Однофазный трансформатор является наиболее распространенным (по количеству используемых) трансформаторов напряжения. Он присутствует в большинстве «включенных» бытовых приборов, которые мы используем дома и повсюду.

Он используется для описания принципа работы, конструкции и т. Д. Трансформатора, потому что другие трансформаторы подобны разновидности или модификации однофазного трансформатора. Например, некоторые люди называют трехфазный трансформатор состоящим из трех однофазных трансформаторов.

Однофазный трансформатор состоит из двух катушек на обмотку (первичная и вторичная обмотки). Эти две обмотки расположены таким образом, что между ними не существует электрического соединения, поэтому они намотаны на общий магнитный Утюг, обычно называемый сердечником трансформатора, таким образом, две катушки имеют только магнитное соединение между собой. Это гарантирует, что мощность передается только через электромагнитную индукцию, а также делает трансформаторы полезными для изолирующих соединений.

Принцип работы трансформатора:

Как упоминалось ранее, трансформатор состоит из двух катушек; первичные и вторичные обмотки. Первичная катушка всегда представляет собой вход трансформатора, а вторичная катушка - выход трансформатора.

Два основных эффекта определяют работу трансформатора:

Во- первых, ток, протекающий по проводу, создает вокруг него магнитное поле. Величина возникающего магнитного поля всегда прямо пропорциональна величине тока, проходящего через провод. Величина магнитного поля увеличивается, если провод намотан в виде катушки. Это принцип, по которому магнетизм индуцируется первичной катушкой. Подавая напряжение на первичную обмотку, он индуцирует магнитное поле вокруг сердечника трансформатора.

Второй эффект, который в сочетании с первым объясняет принцип работы трансформатора, который основан на том факте, что, если проводник наматывают вокруг куска магнита и магнитного поля изменяется, изменение в магнитном поле индуцирует ток в проводник, величина которого будет определяться количеством витков катушки проводника. Это принцип, по которому вторичная катушка возбуждается.

Когда на первичную обмотку подается напряжение, вокруг сердечника создается магнитное поле, сила которого зависит от приложенного тока. Созданное магнитное поле, таким образом, индуцирует ток во вторичной катушке, который зависит от величины магнитного поля и количества витков вторичной катушки.

Этот принцип работы трансформатора также объясняет, почему пришлось изобрести переменный ток, потому что трансформатор будет работать только при изменении приложенного напряжения или тока, и только тогда будут работать принципы электромагнитной индукции. Таким образом, тогда трансформатор нельзя было использовать для постоянного тока.

Строительство трансформатора

По сути, трансформатор состоит из двух частей: две индукционные катушки и многослойный стальной сердечник. Катушки изолированы друг от друга, а также изолированы, чтобы предотвратить контакт с сердечником.

Таким образом, конструкция трансформатора будет рассмотрена под конструкцией катушки и сердечника.

Ядро трансформатора

Сердечник трансформатора всегда строится из многослойных стальных листов вместе, обеспечивая минимальный воздушный зазор между ними. Сердечник трансформаторов в последнее время всегда состоит из многослойного стального сердечника вместо стального сердечника для снижения потерь из-за вихревых токов.

Можно выбрать из трех основных форм многослойных стальных листов: E, I и L.

При штабелировании ламината для формирования сердцевины они всегда укладываются таким образом, чтобы стороны стыка чередовались. Например, листы собираются с лицевой стороны во время первой сборки, они будут с обратной стороны для следующей сборки, как показано на изображении ниже. Это сделано для предотвращения высокого сопротивления в суставах.

Катушка

При конструировании трансформатора становится очень важным указать тип трансформатора как повышающий или понижающий, поскольку это определяет количество витков, которые будут существовать в первичной или вторичной катушке.

Типы трансформаторов:

В основном существует три типа трансформаторов напряжения;

1. Понижающие трансформаторы

2. Повышающие трансформаторы

3. Изолирующие трансформаторы

Понижающие трансформаторы являются трансформаторами, которые дают пониженное значение напряжения, приложенному к первичной катушке на вторичной обмотке, в то время как на этапе повышающего трансформатора, трансформатор обеспечивает повышенное значение напряжения, приложенное к первичной катушке, на вторичном катушка.

Изолирующие трансформаторы - это трансформаторы, которые подают одинаковое напряжение на первичную обмотку во вторичной обмотке и, таким образом, в основном используются для изоляции электрических цепей.

Из приведенного выше объяснения создание трансформатора определенного типа может быть достигнуто только путем расчета количества витков в каждой из первичной и вторичной катушек для обеспечения требуемой выходной мощности, что, таким образом, может определяться соотношением витков. Вы можете прочитать связанное руководство, чтобы узнать больше о различных типах трансформаторов.

Коэффициент трансформации трансформатора и уравнение ЭДС:

Коэффициент трансформации трансформатора (n) определяется уравнением;

п = Np / Ns = Vp / Vs

где n = коэффициент трансформации

Np = количество витков в первичной обмотке

Ns = количество витков вторичной обмотки

Vp = напряжение, приложенное к первичной обмотке

Vs = напряжение на вторичной обмотке

Эти описанные выше отношения можно использовать для вычисления каждого из параметров в уравнении.

Вышеприведенная формула известна как действие напряжения трансформатора.

Поскольку мы сказали, что мощность остается прежней после преобразования;

Эта формула, приведенная выше, называется действием тока трансформатора. Что служит доказательством того, что трансформатор не только преобразует напряжение, но и ток.

Уравнение ЭДС:

Количество витков катушки первичной или вторичной катушки определяет величину тока, который она индуцирует или индуцируется им. Когда ток, подаваемый на первичную обмотку, уменьшается, напряженность магнитного поля уменьшается, как и ток, индуцируемый во вторичной обмотке.

E = N (dΦ / dt)

Величина напряжения, индуцированного во вторичной обмотке, определяется уравнением:

Где N - количество витков вторичной обмотки.

Поскольку поток изменяется синусоидально, магнитный поток Φ = Φ _max sinwt

таким образом

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

Среднеквадратичное значение индуцированной ЭДС получается делением максимального значения ЭДС на √2.

Это уравнение известно как уравнение ЭДС трансформатора.

Где: N - количество витков в обмотке катушки

f - частота потока в герцах

Φ - плотность магнитного потока по Веберу.

Таким образом, после определения всех этих значений трансформатор может быть сконструирован.

Электроэнергия

Как объяснялось ранее, трансформаторы были созданы для обеспечения того, чтобы стоимость электроэнергии, вырабатываемой на генерирующих станциях, доставлялась конечным пользователям с небольшими потерями или без них, поэтому в идеальном трансформаторе мощность на выходе (вторичная обмотка) всегда такая же, как входная мощность. Таким образом, трансформаторы называются устройствами постоянной мощности, хотя они могут изменять значения напряжения и тока, но это всегда делается таким образом, чтобы на выходе была одинаковая мощность на входе.

Таким образом

P _s = P _p

где Ps - мощность на вторичной обмотке, а Pp - мощность на первичной обмотке.

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

КПД трансформатора

КПД трансформатора определяется уравнением;

КПД = (выходная мощность / входная мощность) * 100%

Хотя выходная мощность идеального трансформатора должна быть такой же, как входная мощность, большинство трансформаторов далеки от идеального трансформатора и испытывают потери из-за нескольких факторов.

Некоторые из потерь, которые может испытывать трансформатор, перечислены ниже;

1. Потери меди

2. Гистерезисные потери

3. Вихретоковые потери.

1. Потери меди

Эти потери иногда называют потерями в обмотке или потерями I ² R. Эти потери связаны с мощностью, рассеиваемой проводником, используемым для обмотки, когда ток проходит через него из-за сопротивления проводника. Величину этой потери можно рассчитать по формуле;

P = I ² R

2. Гистерезисные потери

Это потери, связанные с сопротивлением материалов, используемых для сердечника трансформатора. Поскольку переменный ток меняет свое направление, он влияет на внутреннюю структуру материала, используемого для сердечника, поскольку он имеет тенденцию претерпевать физические изменения, которые также потребляют часть энергии.

3. Вихретоковые потери.

Это потеря, которую обычно преодолевают за счет использования многослойных тонких листов стали. Потери на вихревые токи возникают из-за того, что сердечник также является проводником и индуцирует ЭДС во вторичной катушке. Токи, индуцированные в сердечнике согласно закону Фарадея, будут противодействовать магнитному полю и вести к рассеиванию энергии.

Принимая во внимание влияние этих потерь при расчетах КПД трансформатора, мы получаем:

КПД = (входная мощность - потери / входная мощность) * 100% Все параметры выражены в единицах мощности.