A váltóáram (AC) az otthoni készülékek többségében csak olyan tápvezetékekből származhat, amelyek transzformátor segítségével egyenáramot (DC) küldenek. Az áramkörön átáramló összes különböző típusú áram révén elősegíti ezen elektromos jelenségek irányítását. A transzformátorok az áramkörök feszültségének megváltoztatásában történő felhasználásuk során nagymértékben támaszkodnak fordulatszámukra.
A transzformátor fordulatszámának kiszámítása
A transzformátor fordulatszámaaz elsődleges tekercsben lévő fordulatok számának a másodlagos tekercsben bekövetkező fordulatok számának az egyenlettel való elosztása
T_R = \ frac {N_P} {N_S}
Ennek az aránynak meg kell egyeznie a primer tekercs feszültségével, és el kell osztani a szekunder tekercs feszültségével, amelyet aVo/ Vs. Az elsődleges tekercs a hajtott induktivitásra vonatkozik, egy áramköri elemre, amely mágneses teret indukál válaszul a transzformátor töltésáramára, a szekunder pedig áramellátás nélküli induktor.
Ezek az arányok érvényesek abban a feltételezésben, hogy az elsődleges tekercs fázisszöge megegyezik a szekunder fázisszögével
egyenletΦP = ΦS.Ez az elsődleges és a másodlagos fázis szöge leírja, hogy az áram, amely váltakozik előre és a transzformátor primer és szekunder tekercsében a fordított irányok szinkronban vannak egymással egy másik.A váltóáramú feszültségforrásoknál, mint a transzformátoroknál, a bejövő hullámforma szinuszos, a szinuszhullám alakja. A transzformátor fordulási aránya megmondja, hogy a feszültség mennyire változik a transzformátoron, amikor az áram a primer tekercsekből a szekunder tekercsekbe kerül.
Kérjük, vegye figyelembe, hogy az "arány" szó ebben a képletben atöredék,nem tényleges arány. Az 1/4 aránya eltér az 1: 4 aránytól. Míg az 1/4 az egész egy része, amely négy egyenlő részre oszlik, az 1: 4 arány azt jelzi, hogy valaminek az egyikére négy más van. A transzformátor fordulatszámának "aránya" a töredék, nem pedig az arány a transzformátor arány képletében.
A transzformátor fordulási arányából kiderül, hogy a feszültség által felvett töredékkülönbség a transzformátor primer és szekunder része körül feltekercselt tekercsek száma alapján. Egy öt primer tekercset és 10 szekunder tekercset tartalmazó transzformátor felére csökkenti a feszültségforrást, 5/10 vagy 1/2 szerint.
Az, hogy a tekercsek hatására nő-e vagy csökken a feszültség, a transzformátor arány képlete alapján meghatározza, hogy ez egy fokozatos transzformátor vagy egy alacsonyabb transzformátor. Az a transzformátor, amely nem növeli vagy csökkenti a feszültséget, egy "impedancia transzformátor", amely képes is mérni az impedanciát, az áramkör ellenállását az árammal, vagy egyszerűen jelezni a különböző elektromos feszültségek közötti töréseket áramkörök.
A transzformátor építése
A transzformátor magkomponensei a két tekercs, elsődleges és szekunder, amelyek egy vasmag köré tekerednek. A transzformátor ferromágneses magja vagy állandó mágnesből készült magja vékony elektromosan szigetelt szeleteket is használ, így hogy ezek a felületek csökkenthetik az ellenállást annak az áramnak, amely az elsődleges tekercsekből a másodlagos tekercsekbe megy át transzformátor.
A transzformátor felépítését általában úgy tervezik, hogy a lehető legkevesebb energiát veszítse el. Mivel az elsődleges tekercsek mágneses fluxusa nem jut át a szekunderbe, a gyakorlatban némi veszteség keletkezik. A transzformátorok energiáját is veszteni fogjáklégörvény, lokalizált elektromos áram, amelyet az elektromos áramkörök mágneses mezőjének változásai okoznak.
A transzformátorok azért kapják a nevüket, mert a mágnesező magnak ezt a felépítését a két különálló részén tekercseléssel használják az elektromos energiát mágneses energiává alakítja át a mag mágnesezése révén az áramtól a primerig tekercsek.
Ezután a mágneses mag indukál egy áramot a szekunder tekercsekben, amely a mágneses energiát visszaállítja elektromos energiává. Ez azt jelenti, hogy a transzformátorok mindig egy bejövő váltakozó áramú feszültségforráson működnek, amely az áram előre és hátra iránya között szabályos időközönként vált.
A transzformátor effektusok típusai
A tekercsek feszültségének vagy számának képletén kívül tanulmányozhatja a transzformátorokat, hogy többet megtudjon a különféle típusú tekercsek természetéről feszültségek, elektromágneses indukció, mágneses mezők, mágneses fluxus és egyéb tulajdonságok, amelyek a transzformátor.
Ellentétben egy feszültségforrással, amely áramot küld egy irányba, egyAC feszültségforrásaz elsődleges tekercsen keresztül küldve létrehozza saját mágneses terét. Ez a jelenség kölcsönös induktivitásként ismert.
A mágneses térerősség a maximális értékére nőne, amely megegyezik a mágneses fluxus különbségének és az időtartamának a hányadával,dΦ / dt. Ne feledje, ebben az esetbenΦa mágneses fluxus jelzésére szolgál, nem a fázisszögre. Ezek a mágneses mező vonalai kifelé húzódnak az elektromágnesből. A transzformátorokat építõ mérnökök figyelembe veszik a fluxus összekapcsolását is, amely a mágneses fluxus szorzataΦés a vezetékben lévő tekercsek számaNaz egyik tekercsről a másikra haladó mágneses mező okozta.
A mágneses fluxus általános egyenlete az
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
olyan felületre, amelyen a mező átmegyAm-ben2, mágneses mezőBTeslasban ésθmint a területre merőleges vektor és a mágneses mező közötti szög. A mágnes köré tekert tekercsek egyszerű esetéhez a fluxust a
\ Phi = NBA
tekercsek számáhozN, mágneses mezőBés egy bizonyos területenAa mágnessel párhuzamos felület. Transzformátor esetében azonban a fluxus-összeköttetés miatt a primer tekercs mágneses fluxusa megegyezik a szekunder tekercsével.
AlapjánFaraday törvénye,kiszámításával kiszámíthatja a transzformátor primer vagy szekunder tekercsében indukált feszültségetN x dΦ / dt. Ez megmagyarázza azt is, hogy a transzformátor miért tér el a transzformátor egyik részének feszültségétől a másikhoz, és egyenlő az egyik tekercsének számával.
Ha összehasonlítaná aN x dΦ / dtegyik részből a másikba, azdΦ / dtmegszakadna, mivel mindkét rész azonos mágneses fluxussal rendelkezik. Végül kiszámíthatja a transzformátor amperforgásait a tekercsek számának és az aktuális szorzatának szorzataként, mint a tekercs mágnesező erejének mérési módszerét
Transzformátorok a gyakorlatban
Az áramelosztó hálózatok villamos energiát juttatnak az erőművekből épületekbe és házakba. Ezek az elektromos vezetékek az erőműnél kezdődnek, ahol egy elektromos generátor valamilyen forrásból elektromos energiát hoz létre. Ez lehet egy hidroelektromos gát, amely kiaknázza a víz erejét, vagy egy gázturbina, amely égést használ a földgázból származó mechanikai energia előállításához, és átalakítja azt áramgá. Ezt az áramot sajnos úgy állítják előDC feszültségamelyet a legtöbb háztartási készülék váltakozó áramú feszültséggé kell átalakítani.
A transzformátorok felhasználhatóvá teszik ezt az áramot azáltal, hogy a bejövő oszcilláló váltakozó feszültségből egyfázisú egyenáramú tápegységeket hoznak létre háztartások és épületek számára. A transzformátorok az áramelosztó hálózatok mentén is biztosítják, hogy a feszültség megfelelő mértékű legyen a házelektronikában és az elektromos rendszerekben. Az elosztórácsok olyan "buszokat" is használnak, amelyek a megszakítók mellett több irányba osztják az elosztást, hogy az elosztások egymástól elkülönüljenek.
A mérnökök gyakran figyelembe veszik a transzformátorok hatékonyságát az egyszerű hatékonysági egyenlet felhasználásával
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
fvagy kimeneti teljesítményPOés a bemeneti teljesítményPén. A transzformátorok konstrukciója alapján ezek a rendszerek nem veszítik el az energiát a súrlódás vagy a légellenállás miatt, mert a transzformátorok nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket.
A mágnesező áram, a transzformátor magjának mágnesezéséhez szükséges árammennyiség általában nagyon kicsi ahhoz az áramhoz képest, amelyet a transzformátor elsődleges része indukál. Ezek a tényezők azt jelentik, hogy a transzformátorok általában nagyon hatékonyak, a legtöbb modern kivitel esetében 95% -os vagy annál nagyobb hatékonysággal.
Ha váltóáramú feszültségforrást alkalmazna a transzformátor primer tekercsére, akkor a mágneses fluxus indukálódik a mágneses mag továbbra is váltakozó feszültséget indukál a szekunder tekercsben, ugyanabban a fázisban, mint a forrás feszültség. A mágneses fluxus azonban 90 ° -kal marad a forrásfeszültség fázisszöge mögött. Ez azt jelenti, hogy a primer tekercs árama, a mágnesező áram is elmarad az AC feszültségforrástól.
Transzformátor egyenlet a kölcsönös induktivitásban
A tér, a fluxus és a feszültség mellett a transzformátorok szemléltetik a kölcsönös elektromágneses jelenségeket induktivitás, amely nagyobb energiát ad a transzformátor primer tekercseinek, amikor egy elektromosra van csatlakoztatva kínálat.
Ez akkor történik, amikor az elsődleges tekercs reakciója a terhelés növekedésére, ami energiát fogyaszt, a szekunder tekercsekre. Ha a szekunder tekercsekre olyan módszerrel ruházott fel terhelést, mint például a vezetékek ellenállásának növelése, az elsődleges tekercsek úgy reagálnának, hogy több áramot vennének az áramforrásból ennek kompenzálására csökken.Kölcsönös induktivitása másodlagos terhelés, amelyet felhasználhat az elsődleges tekercseken keresztüli áramnövekedés kiszámításához.
Ha külön feszültségegyenletet írna mind a primer, mind a szekunder tekercsre, leírhatja a kölcsönös induktivitás ezt a jelenségét. Az elsődleges tekercseléshez
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
a primer tekercsen keresztüli áramhozénP, primer tekercs terhelési ellenállásaR1, kölcsönös induktivitásM, primer tekercselés induktivitásaLén, másodlagos tekercselésénSés változik az időbenΔt. A negatív előjel a kölcsönös induktivitás előttMazt mutatja, hogy a forrásáram azonnal tapasztalja a feszültségesést a szekunder tekercs terhelése miatt, de válaszul az elsődleges tekercs megemeli a feszültségét.
Ez az egyenlet követi az egyenletek írásának szabályait, amelyek leírják, hogy az áram és a feszültség hogyan különbözik az áramköri elemek között. Zárt elektromos hurok esetén az egyes alkatrészek feszültségének összegét nullával megírhatja, hogy megmutassa, hogyan csökken a feszültség az áramkör egyes elemein.
Az elsődleges tekercseknél ezt az egyenletet úgy írja be, hogy figyelembe vegye magukat az elsődleges tekercsek feszültségét (énPR1), a mágneses mező indukált áramából adódó feszültségL1ΔIP/Δtés a szekunder tekercsek kölcsönös induktivitásának hatásából adódó feszültségM ΔIS/Δt.
Hasonlóképpen írhat egy egyenletet, amely a másodlagos tekercseken átmenő feszültségeséseket leírja
M \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
Ez az egyenlet a szekunder tekercsáramot tartalmazzaénS, szekunder tekercselés induktivitásaL2és a szekunder tekercs terhelési ellenállásaR2. Az ellenállást és az induktivitást P vagy S helyett 1 vagy 2 előfizetéssel jelölik, mivel az ellenállásokat és az induktivitásokat gyakran számozzák, és nem jelölik betűkkel. Végül kiszámíthatja a kölcsönös induktivitást közvetlenül az induktorok alapján
M = \ sqrt {L_1L_2}