Bazele transformatorului

Transformatoarele, în general, sunt dispozitive capabile să convertească cantități de la o valoare la alta. Pentru acest articol, ne vom concentra asupra transformatorului de tensiune, care este o componentă electrică statică capabilă să convertească tensiunea de curent alternativ de la o valoare la alta fără a schimba frecvența folosind principiile inducției electromagnetice.

Într-unul din articolele noastre anterioare despre curent alternativ, am menționat cât de important a fost transformatorul, în istoria curentului alternativ. Acesta a fost principalul factor care a făcut posibil curentul alternativ. Inițial când se foloseau sisteme bazate pe curent continuu, acestea nu puteau fi transferate pe distanțe mari din cauza pierderii de energie în linii pe măsură ce distanța (lungimea) crește, ceea ce înseamnă că centralele electrice de curent continuu trebuiau plasate peste tot, astfel principalul obiectiv al curentului alternativ pentru a rezolva problema transmisiei și fără transformator, acest lucru nu ar fi fost posibil, deoarece pierderile ar fi existat chiar și cu AC.

Cu transformatorul în poziție, AC ar putea fi transmis de la stațiile de generare la o tensiune foarte mare, dar curent redus, ceea ce elimină pierderile în linie (fire) datorită valorii I ² R (care dă pierderea de putere într-o linie). Transformatorul este apoi folosit pentru a converti de înaltă tensiune, energie de curent redus la tensiune joasă, curent de energie ridicată pentru distribuția finală într - o comunitate, fără a schimba frecvența și la aceeași putere, care a fost transmis de la stația de generare (P = IV).

Pentru a înțelege mai bine transformatorul de tensiune, cel mai bine este să folosiți modelul său cel mai simplificat, care este transformatorul monofazat.

Transformator monofazat

Transformatorul monofazat este cel mai obișnuit tip de transformatoare de tensiune (din punct de vedere al numărului utilizat). Este prezent în majoritatea aparatelor „conectate” pe care le folosim acasă și peste tot.

Este folosit pentru a descrie principiul de funcționare, construcția etc. a unui transformator, deoarece alte transformatoare sunt ca o variație sau o modificare a transformatorului monofazat. De exemplu, anumite persoane se referă la transformatorul trifazat ca fiind format din 3 transformatoare monofazate.

Transformatorul monofazat este format din două bobine / bobine (bobina primară și secundară). Aceste două înfășurări sunt aranjate în așa fel încât să nu existe o conexiune electrică între ele, astfel încât acestea sunt înfășurate în jurul unui fier magnetic comun denumit în general nucleul transformatorului, astfel cele două bobine au doar o conexiune magnetică între ele. Acest lucru asigură faptul că puterea este transmisă numai prin inducție electromagnetică și face, de asemenea, transformatoarele utile pentru izolarea conexiunilor.

Principiul operațional al transformatorului:

După cum sa menționat anterior, transformatorul este format din două bobine; primar și spirele secundare. Bobina primară reprezintă întotdeauna intrarea în transformator în timp ce bobina secundară, ieșirea din transformator.

Două efecte principale definesc funcționarea transformatorului:

Primul este faptul că, un curent care curge printr - un seturi de sârmă un câmp magnetic în jurul firului. Magnitudinea câmpului magnetic rezultat este întotdeauna direct proporțională cu cantitatea de curent care trece prin fir. Magnitudinea câmpului magnetic crește, dacă firul este înfășurat într-o formă asemănătoare bobinei. Acesta este principiul cu care magnetismul este indus de bobina primară. Prin aplicarea unei tensiuni bobinei primare, acesta induce un câmp magnetic în jurul nucleului transformatorului.

Al doilea efect care, combinat cu primul, explică principiul operațional al transformatorului, care se bazează pe faptul că, dacă un conductor este înfășurat în jurul unei bucăți de magnet și câmpul magnetic se schimbă, schimbarea câmpului magnetic va induce un curent în conductorul, a cărui magnitudine va fi determinată de numărul de spire ale bobinei conductorului. Acesta este principiul cu care bobina secundară se energizează.

Când o tensiune este aplicată bobinei primare, aceasta creează un câmp magnetic în jurul miezului, puterea depinde de curentul aplicat. Câmpul magnetic creat induce astfel un curent în bobina secundară care este o funcție de amploarea câmpului magnetic și de numărul de rotații ale bobinei secundare.

Acest principiu operațional al transformatorului explică, de asemenea, de ce a trebuit inventat curent alternativ, deoarece transformatorul va funcționa numai atunci când există o alternanță în tensiunea sau curentul aplicat, deoarece abia atunci vor funcționa principiile de inducție electromagnetică. Astfel , transformatorul nu putea fi folosit pentru DC atunci.

Construcția transformatorului

Practic, un transformator este format din două părți care includ; două bobine inductive și un miez din oțel laminat. Bobinele sunt izolate unele de altele și, de asemenea, izolate pentru a preveni contactul cu miezul.

Construcția transformatorului va fi astfel examinată sub construcția bobinei și a miezului.

Nucleul Transformatorului

Miezul transformatorului este întotdeauna construit prin stivuirea de foi laminate de oțel împreună, asigurându-se un spațiu minim între ele. Miezul transformatoarelor din ultima perioadă este întotdeauna alcătuit din miez de oțel laminat în loc de miezuri de fier pentru a reduce pierderile datorate curentului turbionar.

Există trei forme majore ale foilor de oțel laminate pentru a alege, care sunt E, I și L.

Când stivuim laminarea împreună pentru a forma miezul, acestea sunt întotdeauna stivuite în așa fel încât laturile articulației să fie alternate. De exemplu, dintre foi sunt asamblate ca fațate în față în timpul primei asamblări, ele vor fi cu față înapoi pentru următorul ansamblu așa cum se arată în imaginea de mai jos. Acest lucru se face pentru a preveni reticența ridicată la nivelul articulațiilor.

Bobina

Când construiți un transformator, devine foarte important să specificați tipul de transformator fie ca un pas în sus, fie un pas în jos, deoarece acest lucru determină numărul de ture care vor exista în bobina primară sau secundară.

Tipuri de transformatoare:

În principal, există trei tipuri de transformatoare de tensiune;

1. Reduceți transformatoarele

2. Step Up Transformers

3. Transformatoare de izolare

Pas-jos transformatoare sunt transformatoare care conferă o valoare redusă a tensiunii aplicate la bobina primar la bobina secundară, în timp ce pentru un pas până transformator, transformator dă o valoare crescută a tensiunii aplicate la bobina primară, la secundar bobina.

Transformatoarele de izolare sunt transformatoare care dau aceeași tensiune aplicată primarului la secundar și astfel utilizate în principiu pentru izolarea circuitelor electrice.

Din explicația de mai sus, crearea unui anumit tip de transformator se poate realiza numai prin proiectarea numărului de spire în fiecare dintre bobinele primare și secundare pentru a da ieșirea necesară, acest lucru putând fi determinat astfel de raportul de spire. Puteți citi prin tutorialul legat pentru a afla mai multe despre diferitele tipuri de transformatoare.

Transformatorul transformă raportul și ecuația EMF:

Raportul transformărilor transformatorului (n) este dat de ecuație;

n = Np / Ns = Vp / Vs

unde n = raportul de rotații

Np = Numărul de rotații în bobina primară

Ns = Numărul de rotații în bobina secundară

Vp = Tensiunea aplicată primarului

Vs = Tensiune la secundar

Aceste relații descrise mai sus pot fi folosite pentru a calcula fiecare dintre parametrii din ecuație.

Formula de mai sus este cunoscută sub numele de acțiune de tensiune a transformatoarelor.

Din moment ce am spus că puterea rămâne aceeași după transformare atunci;

Această formulă de mai sus este denumită acțiunea curentă a transformatorului. Ceea ce servește drept dovadă că transformatorul nu numai că transformă tensiunea, ci și transformă curentul.

Ecuația EMF:

Numărul de rotații ale bobinei oricărei bobine primare sau secundare determină cantitatea de curent pe care o induce sau este indusă de aceasta. Când curentul aplicat primarului este redus, puterea câmpului magnetic este redusă și aceeași pentru curentul indus în înfășurarea secundară.

E = N (dΦ / dt)

Cantitatea de tensiune indusă în înfășurarea secundară este dată de ecuația:

Unde N este numărul de spire ale înfășurării secundare.

Deoarece fluxul variază sinusoidal, fluxul magnetic Φ = Φ _max sinwt

prin urmare

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

Valoarea pătrată a rădăcinii medii a EMF indus se obține împărțind valoarea maximă a EMF la √2

Această ecuație este cunoscută sub numele de ecuație transformatoare EMF.

Unde: N este numărul de rotații în bobina bobinei

f este frecvența fluxului în hertz

Φ este densitatea fluxului magnetic în Weber

cu toate aceste valori determinate, transformatorul poate fi astfel construit.

Putere electrica

Așa cum s-a explicat anterior, transformatoarele au fost create pentru a se asigura că valoarea energiei electrice generate la stațiile de generare este livrată utilizatorilor finali cu pierderi mici sau deloc, astfel într-un transformator ideal, puterea la ieșire (înfășurarea secundară) este întotdeauna aceeași puterea de intrare. Transformatoarele sunt denumite astfel dispozitive cu putere constantă, deși pot schimba valorile de tensiune și curent, se face întotdeauna în așa fel încât aceeași putere la intrare este disponibilă la ieșire.

Prin urmare

P _s = P _p

unde Ps este puterea la secundar și Pp este puterea la primar.

Din moment ce P = IvcosΦ atunci I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Eficiența unui transformator

Eficiența unui transformator este dată de ecuație;

Eficiență = (putere de ieșire / putere de intrare) * 100%

În timp ce puterea de ieșire a unui transformator Ideal ar trebui să fie aceeași cu puterea de intrare, majoritatea transformatoarelor sunt departe de transformatorul Ideal și suferă pierderi din cauza mai multor factori.

Unele dintre pierderile care pot fi suferite de un transformator sunt enumerate mai jos;

1. Pierderi de cupru

2. Pierderi de histerezis

3. Pierderi de curent turbionar

1. Pierderi de cupru

Aceste pierderi sunt uneori denumite pierderi de lichidare sau pierderi de I ² R. Aceste pierderi sunt asociate cu puterea disipată de conductorul utilizat pentru înfășurare atunci când curentul este trecut prin acesta datorită rezistenței conductorului. Valoarea acestei pierderi poate fi calculată folosind formula;

P = I ² R

2. Pierderi de histerezis

Aceasta este o pierdere legată de reticența materialelor utilizate pentru miezul transformatorului. Pe măsură ce curentul alternativ își inversează direcția, are un impact asupra structurii interne a materialului utilizat pentru miez, deoarece tinde să sufere modificări fizice care consumă și o parte din energie

3. Pierderi de curent turbionar

Aceasta este o pierdere de obicei cucerită prin utilizarea de foi laminate subțiri de oțel. Pierderea de curent turbionar apare ca urmare a faptului că miezul este, de asemenea, un conductor și va induce un emf în bobina secundară. Curenții induși în miez conform legii actuale se vor opune câmpului magnetic și vor duce la disiparea energiei.

Având în vedere efectul acestor pierderi în calculele de eficiență ale transformatorului, avem;

Eficiență = (putere de intrare - pierderi / putere de intrare) * 100% Toți parametrii exprimați în unități de putere.