Vaihtovirta (AC) useimmissa kodin laitteissa voi tulla vain sähköjohdoista, jotka lähettävät tasavirtaa muuntajan avulla. Kaikkien erityyppisten virtojen kautta, jotka voivat virrata piirin läpi, se auttaa saamaan voimaa hallita näitä sähköisiä ilmiöitä. Kaikissa muissa käyttötavoissaan piirien jännitteen muuttamisessa muuntajat luottavat suuresti kierrossaan.
Muuntajan kääntymissuhteen laskeminen
Muuntajan kierroslukuon ensiökäämin kierrosten lukumäärän jako toissijaisen käämityksen kierrosten määrällä yhtälöllä
T_R = \ frac {N_P} {N_S}
Tämän suhteen tulisi myös olla yhtä suuri kuin ensiökäämin jännite jaettuna sekundäärikäämin jännitteellä, joka on annettuVs/ Vs. Ensisijainen käämi viittaa moottorikäyttöiseen induktoriin, piirielementtiin, joka indusoi magneettikentän vasteena muuntajan varauksen virtaukselle ja toissijainen on virtalähde kela.
Nämä suhteet pitävät paikkansa olettaen, että ensiökäämin vaihekulma on yhtä suuri kuin sekundäärisen vaihekulmayhtälöΦP = ΦS.Tämä pää- ja toissijainen vaihekulma kuvaa, kuinka virta vaihtelee eteenpäin ja muuntajan ensiö- ja toisiokäämissä olevat suunnat ovat synkronoituja yhden kanssa toinen.
Muuntajien kanssa käytetyille vaihtojännitelähteille tuleva aaltomuoto on sinimuotoinen, siniaallon tuottaman muodon. Muuntajan kierrosluku kertoo kuinka paljon jännite muuttuu muuntajan läpi, kun virta kulkee ensiökäämeistä toissijaisiin käämeihin.
Huomaa myös, että sana "suhde" tässä kaavassa viittaa amurtoluku,ei todellinen suhde. Murtoluku 1/4 eroaa suhteesta 1: 4. Vaikka 1/4 on yksi osa kokonaisuudesta, joka on jaettu neljään yhtä suureen osaan, suhde 1: 4 edustaa sitä, että jollakin on neljä jotain muuta. "Suhde" muuntajan käännössuhteessa on murto, ei suhde, muuntajan suhdelaskussa.
Muuntajan kääntymissuhde paljastaa, että jännitteen ottama murtoero perustuu muuntajan ensiö- ja toissijaisten osien ympärille kierrettyjen kelojen lukumäärään. Muuntaja, jossa on viisi primäärikäämiä ja 10 sekundäärikäämiä, katkaisee jännitelähteen puoleen 5/10: n tai 1/2: n antamalla.
Onko jännite lisääntynyt vai laskenut näiden kelojen seurauksena, määritetään, onko se askelmuuntaja vai alamuuntaja muuntajasuhteen kaavan mukaan. Muuntaja, joka ei lisää tai vähennä jännitettä, on "impedanssimuuntaja", joka joko voi mittaa impedanssia, piirin vastustusta virtaan tai yksinkertaisesti ilmaise katkoksia eri sähköisten välillä piirejä.
Muuntajan rakentaminen
Muuntajan ydinkomponentit ovat kaksi kelaa, ensisijainen ja sekundäärinen, jotka kietoutuvat rautasydämen ympärille. Muuntajan ferromagneettinen ydin tai kestomagneetista valmistettu ydin käyttää myös ohuita sähköeristettyjä viipaleita, joten että nämä pinnat voivat vähentää resistanssia virralle, joka kulkee ensiökäämeistä toissijaisiin keloihin muuntaja.
Muuntajan rakenne suunnitellaan yleensä niin, että se menettää mahdollisimman vähän energiaa. Koska kaikki ensiökäämin magneettivuot eivät kulje toissijaiseen, käytännössä tapahtuu jonkin verran menetystä. Muuntajat menettävät myös energiaapyörrevirrat, paikallinen sähkövirta, joka johtuu sähköpiirien magneettikentän muutoksista.
Muuntajat saavat nimensä, koska he käyttävät tätä magneettisen ytimen kokoonpanoa, jossa on käämit sen kahdessa erillisessä osassa muuntaa sähköenergiaa magneettiseksi energiaksi ytimen magnetoinnin kautta virrasta primäärin läpi käämit.
Sitten magneettisydän indusoi sekundäärikäämeissä virran, joka muuntaa magneettisen energian takaisin sähköenergiaksi. Tämä tarkoittaa, että muuntajat toimivat aina tulevassa vaihtovirtajännitelähteessä, joka vaihtaa virran eteen- ja taaksepäin säännöllisin välein.
Muuntajavaikutusten tyypit
Jännitteen tai kelojen lukumäärän lisäksi voit tutkia muuntajia saadaksesi lisätietoja erityyppisten tyyppien luonteesta jännitteet, sähkömagneettinen induktio, magneettikentät, magneettivuo ja muut ominaisuudet, jotka johtuvat a muuntaja.
Toisin kuin jännitelähde, joka lähettää virtaa yhteen suuntaan, anAC-jännitelähdepääkäämin kautta lähetetty luo oman magneettikentän. Tämä ilmiö tunnetaan keskinäisenä induktanssina.
Magneettikentän voimakkuus kasvaa maksimiarvoonsa, joka on yhtä suuri kuin magneettivuon ero jaettuna ajanjaksolla,dΦ / dt. Muista tässä tapauksessaΦkäytetään osoittamaan magneettivuon, ei vaihekulmaa. Nämä magneettikentän viivat vedetään ulospäin sähkömagneetista. Muuntajia rakentavat insinöörit ottavat huomioon myös vuon sidoksen, joka on magneettivuon tuloΦja langan kelojen lukumääräNjohtuu magneettikentästä, joka kulkee kelasta toiseen.
Magneettivuon yleinen yhtälö on
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
pinta-alalle, jonka kenttä käy läpiAmetreinä2, magneettikenttäBTeslasissa jaθpinta-alaan nähden kohtisuoran vektorin ja magneettikentän välisenä kulmana. Magneetin ympärille käärittyjen kelojen yksinkertaisessa tapauksessa vuon antaa
\ Phi = NBA
kelojen lukumäärälleN, magneettikenttäBja tietyllä alueellaAmagneetin suuntaisen pinnan. Muuntajalle vuon kytkentä aiheuttaa kuitenkin primäärikäämin magneettivuon yhtä suureksi kuin sekundäärikäämitys.
MukaanFaradayn laki,voit laskea muuntajan ensiö- tai toisiokäämissä indusoidun jännitteen laskemallaN x dΦ / dt. Tämä selittää myös, miksi muuntajan kääntymissuunta muuntajan yhden osan jännitteestä toiseen on yhtä suuri kuin toistensa kelojen lukumäärä.
Jos haluat verrataN x dΦ / dtyhdestä osasta toiseen,dΦ / dtperuuntuisi, koska molemmilla osilla on sama magneettivuotto. Lopuksi voit laskea muuntajan ampeerikierrokset virran ja kelojen lukumäärän tulona menetelmänä kelan magnetointivoiman mittaamiseksi
Muuntajat käytännössä
Sähkönjakeluverkot lähettävät sähköä voimalaitoksilta rakennuksiin ja taloihin. Nämä voimajohdot alkavat voimalaitokselta, jossa sähkögeneraattori luo sähköenergiaa jostakin lähteestä. Tämä voi olla vesivoimainen pato, joka hyödyntää veden voimaa, tai kaasuturbiini, joka käyttää palamista maakaasun mekaanisen energian luomiseen ja muuntaa sen sähköksi. Tätä sähköä tuotetaan valitettavasti nimelläDC-jännitejoka on muunnettava vaihtojännitteeksi useimmille kodinkoneille.
Muuntajat tekevät tästä sähköstä käyttökelpoisen luomalla yksivaiheiset tasavirtalähteet kotitalouksille ja rakennuksille tulevasta värähtelevästä vaihtojännitteestä. Muuntajat virranjakoverkkojen varrella varmistavat myös, että jännite on sopiva määrä talon elektroniikka- ja sähköjärjestelmille. Jakeluruudukot käyttävät myös "väyliä", jotka jakavat jakamisen useisiin suuntiin katkaisijoiden rinnalla pitääkseen erilliset jakelut erillään toisistaan.
Insinöörit ottavat muuntajien tehokkuuden huomioon yksinkertaisen yksinkertaisen yhtälön avulla
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
ftai lähtötehoPOja syöttötehoPMinä. Muuntajasuunnittelun perusteella nämä järjestelmät eivät menetä energiaa kitkaan tai ilmanvastukseen, koska muuntajat eivät sisällä liikkuvia osia.
Magnetointivirta, muuntajan sydämen magnetoimiseksi tarvittava virran määrä, on yleensä hyvin pieni verrattuna virtaan, jonka muuntajan pääosa indusoi. Nämä tekijät tarkoittavat, että muuntajat ovat tyypillisesti erittäin tehokkaita ja jopa 95 prosentin hyötysuhteet useimmissa nykyaikaisissa malleissa.
Jos joudut käyttämään vaihtojännitelähdettä muuntajan ensiökäämiin, sisään indusoitunut magneettivuo magneettinen ydin indusoi edelleen vaihtojännitettä sekundäärikäämissä samassa vaiheessa kuin lähde Jännite. Ytimessä oleva magneettivuo kuitenkin pysyy 90 ° lähdejännitteen vaihekulman takana. Tämä tarkoittaa, että ensiökäämin virta, magnetisointivirta, jää myös AC-jännitelähteestä.
Muuntajan yhtälö keskinäisessä induktanssissa
Kentän, vuon ja jännitteen lisäksi muuntajat kuvaavat keskinäisten sähkömagneettisia ilmiöitä induktanssi, joka antaa enemmän virtaa muuntajan ensiökäämeille, kun ne on kytketty sähköön toimittaa.
Tämä tapahtuu primäärikäämityksen reaktiona sekundäärikäämien kuormituksen lisääntymiseen, mikä kuluttaa virtaa. Jos lisäsit sekundäärikäämeihin kuorman esimerkiksi lisäämällä sen johtojen vastusta, ensiökäämit reagoisivat vetämällä enemmän virtaa virtalähteestä tämän kompensoimiseksi lasku.Keskinäinen induktanssion toissijaiselle kuormituksellesi, jota voit käyttää laskemaan virran nousun ensiökäämien kautta.
Jos kirjoitat erillisen jänniteyhtälön sekä ensiö- että toisiokäämeille, voit kuvata tätä keskinäisen induktanssin ilmiötä. Ensiökäämitystä varten
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
virralle ensiökäämin läpiMinäP, ensiökäämityksen kuormitusvastusR1, keskinäinen induktanssiM, ensiökäämityksen induktanssiLMinä, toissijainen käämitysMinäSja muuttua ajassaΔt. Negatiivinen merkki molemminpuolisen induktanssin edessäMosoittaa, että lähdevirrassa tapahtuu välittömästi jännitteen pudotus toissijaisen käämityksen kuormituksen vuoksi, mutta vastauksena ensiökäämi nostaa sen jännitettä.
Tämä yhtälö noudattaa yhtälöiden kirjoittamisen sääntöjä, jotka kuvaavat kuinka virta ja jännite eroavat piirielementtien välillä. Suljettua sähköistä silmukkaa varten voit kirjoittaa kunkin komponentin jännitteen summan nollaksi osoittamaan kuinka jännite putoaa piirin jokaisen elementin yli.
Ensiökäämiä varten kirjoitat tämän yhtälön ottamaan huomioon ensiökäämien itsensä jännitteen (MinäPR1), magneettikentän indusoidun virran aiheuttama jänniteL1ΔIP/Δtja toissijaisten käämien keskinäisen induktanssin vaikutuksesta johtuva jänniteM AIS/Δt.
Vastaavasti voit kirjoittaa yhtälön, joka kuvaa jännitehäviöitä toissijaisten käämien yli
M \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
Tämä yhtälö sisältää sekundäärikäämitysvirranMinäS, sekundäärikäämityksen induktanssiL2ja toissijaisen käämityksen kuormitusvastusR2. Resistanssi ja induktanssi on merkitty alaindekseillä 1 tai 2 P: n tai S: n sijasta, koska vastukset ja induktorit on usein numeroitu, eikä niitä ole merkitty kirjaimilla. Lopuksi voit laskea keskinäisen induktanssin induktoreista suoraan muodossa
M = \ sqrt {L_1L_2}