Основе трансформатора

Трансформатори су обично уређаји који могу претворити количине из једне вредности у другу. У овом чланку ћемо се фокусирати на напонски трансформатор који је статична електрична компонента способна да претвара наизменични напон из једне вредности у другу без промене фреквенције користећи принципе електромагнетне индукције.

У једном од наших претходних чланака о наизменичној струји поменули смо колико је трансформатор био важан у историји наизменичне струје. Управо је главни покретач омогућио наизменичну струју. У почетку када су се користили системи засновани на једносмерној струји, они се нису могли преносити на велике даљине због губитка снаге у водовима како се растојање (дужина) повећава, што значи да су једносмерне електране морале бити постављене свуда, па је главни циљ АЦ био да би се решио проблем преноса и без трансформатора, то не би било могуће, јер би губици и даље постојали чак и код АЦ.

Са постављеним трансформатором, наизменична струја би се могла преносити из производних станица под врло високим напоном, али малом струјом што елиминише губитке у линији (жицама) због вредности И ² Р (што даје губитак снаге у линији). Тада се трансформатор користи за претварање високонапонске, слабе струје у нисконапонску, јаку струју за коначну дистрибуцију унутар заједнице без промене фреквенције и при истој снази која се преносила из производне станице (П = ИВ).

Да бисмо боље разумели напонски трансформатор, најбоље је користити његов најједноставнији модел који је једнофазни трансформатор.

Једнофазни трансформатор

Једнофазни трансформатор је најчешћи (у смислу броја који се користи) врста напонских трансформатора. Присутан је у већини „прикључених“ уређаја које користимо код куће и свуда другде.

Користи се за описивање принципа рада, конструкције итд. Трансформатора, јер су други трансформатори попут варијације или модификације једнофазног трансформатора. На пример, одређени људи називају трофазни трансформатор сачињеним од 3 једнофазна трансформатора.

Једнофазни трансформатор се састоји од две завојнице / намотаја (примарне и секундарне завојнице). Ова два намотаја су постављена тако да између њих не постоји електрична веза, па су намотани око заједничког магнетног гвожђа које се обично назива језгро трансформатора, па две завојнице имају само магнетну везу између себе. Ово осигурава да се снага преноси само путем електромагнетне индукције и такође чини трансформаторе корисним за изолационе везе.

Оперативни принцип трансформатора:

Као што је раније поменуто, трансформатор се састоји од две завојнице; примарни и секундарни намотаји. Примарна завојница увек представља улаз у трансформатор, док секундарна завојница, излаз из трансформатора.

Два главна ефекта дефинишу рад трансформатора:

Први је да, струја тече кроз жицу успоставља магнетног поља око жице. Величина резултујућег магнетног поља увек је директно пропорционална количини струје која пролази кроз жицу. Величина магнетног поља се повећава, ако је жица намотана у облик калема. Ово је принцип којим примарни калем индукује магнетизам. Применом напона на примарну завојницу индукује магнетно поље око језгра трансформатора.

Други ефекат који у комбинацији са првим објашњава оперативни принцип трансформатора који се заснива на чињеници да, ако је проводник се намотава комад магнета и магнетног поља промена, промена у магнетном пољу ће изазвати и струје у проводник чија ће величина бити одређена бројем завоја завојнице проводника. То је принцип помоћу којег се секундарна завојница напаја.

Када се на примарни калем нанесе напон, он ствара магнетно поље око језгра, а снага зависи од примењене струје. Створено магнетно поље тако индукује струју у секундарној завојници која је у функцији величине магнетног поља и броја окрета секундарне завојнице.

Овај принцип рада трансформатора такође објашњава зашто је АЦ требало да буде измишљен, јер ће трансформатор радити само када постоји промена у примењеном напону или струји, јер ће тек тада принципи електромагнетне индукције функционисати. Стога трансформатор тада није могао да се користи за једносмерну струју.

Изградња трансформатора

У основи, трансформатор се састоји од два дела која укључују; два индуктивна калема и ламинирано челично језгро. Завојнице су изоловане једна од друге и такође изоловане како би се спречио контакт са језгром.

Конструкција трансформатора ће се тако испитати испод конструкције калема и језгра.

Језгро трансформатора

Језгро трансформатора увек је конструисано слагањем ламинираних челичних лимова заједно, осигуравајући да између њих постоји минимални зазор. Језгро трансформатора у новије време увек се састоји од ламинираног челичног језгра уместо гвоздених језгара како би се смањили губици услед вртложне струје.

На избор су три главна облика ламинираних челичних лимова, а то су Е, И и Л.

Када се ламинат слаже да би се формирало језгро, они се увек слажу на такав начин да се странице споја мењају. На пример, листови су састављени као предња страна током првог склапања, они ће бити окренути за следећи склоп као што је приказано на доњој слици. Ово је учињено како би се спречило велико нерад на зглобовима.

Калем

Приликом израде трансформатора, постаје веома важно одредити врсту трансформатора као степеник нагоре или наниже, јер то одређује број завоја који ће постојати у примарном или секундарном калему.

Врсте трансформатора:

Углавном постоје три врсте напонских трансформатора;

1. Степ Довн трансформатори

2. Појачајте трансформаторе

3. Изолациони трансформатори

Степ-довн трансформатори су трансформатори који даје смањену вредност напон на примарну калем на секундарном намотају, а за корак до трансформатора, трансформатора даје повећана вредност напона примењена на примарном намотају, на секундару калем.

Изолациони трансформатори су трансформатори који дају исти напон примењен на примар на секундару и на тај начин се у основи користе за изолацију електричних кругова.

Из горњег објашњења, стварање одређене врсте трансформатора може се постићи само пројектовањем броја завоја у сваком од примарних и секундарних калема како би се добио потребан излаз, што се према томе може одредити односом завоја. Можете прочитати повезани водич да бисте сазнали више о различитим врстама трансформатора.

Однос окретаја трансформатора и једначина ЕМФ:

Однос завоја трансформатора (н) дат је једначином;

н = Нп / Нс = Вп / Вс

где је н = однос обртаја

Нп = Број завоја у примарној завојници

Нс = Број завоја у секундарној завојници

Вп = напон примењен на примар

Вс = Напон на секундару

Ови горе описани односи могу се користити за израчунавање сваког од параметара у једначини.

Горња формула је позната као дејство напона трансформатора.

Будући да смо тада рекли да снага остаје иста након трансформације;

Ова горња формула се назива тренутним деловањем трансформатора. Што служи као доказ да трансформатор не трансформише само напон већ и струју.

ЕМФ једначина:

Број завоја калема било примарног или секундарног калема одређује количину струје коју она индукује или је индукује. Када се смањи струја примењена на примар, јачина магнетног поља се смањује и иста за струју индуковану у секундарном намотају.

Е = Н (дΦ / дт)

Количина напона индукованог у секундарном намотају дата је једначином:

Где је Н број завоја у секундарном намотају.

Како флукс синусоидно варира, магнетни флукс Φ = Φ _мак синвт

тако

Е = Н * в * Φмак * цос (вт) Емак = НвΦмак

Средња квадратна вредност индукованог ЕМФ добија се дељењем максималне вредности ЕМФ са √2

Ова једначина је позната као ЕМФ једначина трансформатора.

Где је: Н број завоја у намотају калема

ф је фреквенција флукса у херцима

Φ је густина магнетног флукса у Веберу

са свим овим вредностима утврђеним, трансформатор се тако може конструисати.

Електрична струја

Као што је раније објашњено, трансформатори су створени да обезбеде да се вредност електричне енергије генерисане у производним станицама испоручује крајњим корисницима са малим или никаквим губицима, тако да је у идеалном трансформатору снага на излазу (секундарни намотај) увек иста као улазна снага. Трансформатори се тако називају уређајима са константном снагом, иако могу мењати вредности напона и струје, то се увек ради на такав начин да је на излазу доступна иста снага на улазу.

Тако

П _с = П _п

где је Пс снага на секундарном, а Пп снага на примарном.

Пошто је П = ИвцосΦ, онда је И _с В _с цосΦ _с = И _п В _п цосΦ _п

Ефикасност трансформатора

Ефикасност трансформатора дата је једначином;

Ефикасност = (излазна снага / улазна снага) * 100%

Иако би излазна снага идеалног трансформатора требала бити иста као и улазна снага, већина трансформатора је далеко од идеалног трансформатора и доживљава губитке услед неколико фактора.

Неки од губитака које трансформатор може претрпети наведени су у наставку;

1. Губици бакра

2. Гистерезни губици

3. Губици вртложне струје

1. Губици бакра

Ови губици се понекад називају губицима намотаја или губицима И ² Р. Ови губици су повезани са снагом коју одводи проводник који се користи за намотај када кроз њега пролази струја због отпора проводника. Вредност овог губитка може се израчунати помоћу формуле;

П = И ² Р.

2. Гистерезни губици

Ово је губитак повезан са оклевањем материјала који се користе за језгро трансформатора. Како наизменична струја преокреће свој смер, она утиче на унутрашњу структуру материјала који се користи за језгро, јер тежи физичким променама које такође троше део енергије

3. Вртложни губици

Ово је губитак који се обично побеђује употребом ламинираних танких лимова. Губитак вртложне струје произлази из чињенице да је језгро такође проводник и да ће индуковати емф у секундарној завојници. Струје индуковане у језгру према фарадејевом закону супротставиће се магнетном пољу и довести до расипања енергије.

Факторишући ефекат ових губитака у прорачунима ефикасности трансформатора, имамо;

Ефикасност = (улазна снага - губици / улазна снага) * 100% Сви параметри изражени у јединицама снаге.