Vekselstrøm (AC) i de fleste apparater i hjemmet ditt kan bare komme fra kraftledninger som sender likestrøm (DC) ved bruk av en transformator. Gjennom alle de forskjellige typer strøm som kan strømme gjennom en krets, hjelper det å ha makten til å kontrollere disse elektriske fenomenene. For alle bruksområder for å endre spenningen til kretser, stoler transformatorer sterkt på svingforholdet.
Beregning av transformatorens svingforhold
En transformator snur forholdeter divisjonen av antall svinger i primærviklingen med antall omdreininger i sekundærviklingen ved ligningen
T_R = \ frac {N_P} {N_S}
Dette forholdet skal også være lik spenningen til primærviklingen delt på spenningen til sekundærviklingen, gitt avVs/ Vs. Primærviklingen refererer til den elektriske induktoren, et kretselement som induserer et magnetfelt som svar på strømmen av ladning, av transformatoren og den sekundære er den uten strøm spole.
Disse forholdene stemmer under antagelsen om at fasevinkelen til primærviklingen er lik fasevinklene til sekundæren ved
ligningΦP = ΦS.Denne primære og sekundære fasevinkelen beskriver hvordan strømmen, som veksler mellom fremover og omvendte retninger i transformatorens primære og sekundære viklinger, er i synkronisering med en en annen.For vekselspenningskilder, som brukt med transformatorer, er den innkommende bølgeformen sinusformet, formen en sinusbølge produserer. Transformatorens svingforhold forteller deg hvor mye spenningen endres gjennom transformatoren når strømmen går fra primærviklingene til sekundærviklingene.
Vær også oppmerksom på at ordet "forhold" i denne formelen refererer til abrøkdel,ikke et faktisk forhold. Brøkdelen på 1/4 er forskjellig fra forholdet 1: 4. Mens 1/4 er en del av en helhet som er delt inn i fire like deler, representerer forholdet 1: 4 at det for en av noe er fire av noe annet. "Forholdet" i transformatorens svingforhold er en brøkdel, ikke et forhold, i transformatorforholdsformelen.
Transformatorens svingforhold avslører at den fraksjonelle forskjellen som spenningen tar, er basert på antall spoler viklet rundt transformatorens primære og sekundære deler. En transformator med fem primære sårspoler og 10 sekundære sårspoler vil kutte en spenningskilde i to som gitt av 5/10 eller 1/2.
Hvorvidt spenningen øker eller avtar som et resultat av disse spolene, bestemmer at det er en opptrapp-transformator eller nedtrapp-transformator ved hjelp av transformatorforholdsformelen. En transformator som verken øker eller reduserer spenningen er en "impedans-transformator" som kan enten måle impedans, en krets motstand mot strøm, eller bare indikere brudd mellom forskjellige elektriske kretser.
Konstruksjonen av en transformator
Kjernekomponentene til en transformator er de to spolene, primære og sekundære, som brytes rundt en jernkjerne. Den ferromagnetiske kjernen, eller en kjerne laget av en permanent magnet, av en transformator bruker også tynne elektrisk isolerte skiver slik at at disse overflatene kan redusere motstanden for strømmen som går fra primærspolene til sekundærspolene i transformator.
Konstruksjonen av en transformator vil generelt være designet for å miste så lite energi som mulig. Fordi ikke all magnetisk strømning fra primærspolene overføres til sekundær, vil det være noe tap i praksis. Transformatorer vil også miste energi pgavirvelstrømmer, lokalisert elektrisk strøm forårsaket av endringer i magnetfeltet i elektriske kretser.
Transformatorer får navnet sitt fordi de bruker dette oppsettet av en magnetiserende kjerne med viklinger på to separate deler av den til transformer elektrisk energi til magnetisk energi gjennom magnetiseringen av kjernen fra strømmen gjennom den primære viklinger.
Deretter induserer den magnetiske kjernen en strøm i sekundærviklingene, som omdanner den magnetiske energien tilbake til elektrisk energi. Dette betyr at transformatorer alltid fungerer på en innkommende vekselstrømskilde, en som bytter mellom fremover og motsatt strømretning med jevne mellomrom.
Typer transformatoreffekter
Bortsett fra formelen for spenning eller antall spoler, kan du studere transformatorer for å lære mer om arten av forskjellige typer spenninger, elektromagnetisk induksjon, magnetfelt, magnetisk strømning og andre egenskaper som skyldes konstruksjonen av en transformator.
I motsetning til en spenningskilde som sender strøm i en retning, enAC-spenningskildesendes gjennom primærspolen vil skape sitt eget magnetfelt. Dette fenomenet er kjent som gjensidig induktans.
Magnetfeltstyrken vil øke til sin maksimale verdi, som er lik forskjellen i magnetisk flux delt på en periode,dΦ / dt. Husk, i dette tilfellet,Φbrukes til å indikere magnetisk strømning, ikke fasevinkel. Disse magnetiske feltlinjene trekkes utover fra elektromagneten. Ingeniører som bygger transformatorer tar også hensyn til strømningsforbindelsen, som er et produkt av den magnetiske strømmenΦog antall spoler i ledningenNforårsaket av magnetfeltet som går fra den ene spolen til den andre.
Den generelle ligningen for magnetisk flux er
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
for et overflateareal som feltet går gjennomENi m2, magnetfeltBi Teslas ogθsom vinkelen mellom en vinkelrett vektor til området og magnetfeltet. For det enkle tilfellet med viklede spoler rundt en magnet, blir strømmen gitt av
\ Phi = NBA
for antall spolerN, magnetfeltBog over et bestemt områdeENav en overflate som er parallell med magneten. Imidlertid, for en transformator, forårsaker strømningsforbindelsen at den magnetiske strømmen i primærviklingen er lik den som sekundærviklingen.
I følgeFaradays lov,Du kan beregne spenningen som er indusert i transformatorens primære eller sekundære viklinger ved å beregneN x dΦ / dt. Dette forklarer også hvorfor transformatoren vender forholdet mellom spenningen til den ene delen av transformatoren og den andre er lik antall spoler fra hverandre til den andre.
Hvis du skulle sammenligneN x dΦ / dtav den ene delen til den andre, dendΦ / dtvil avbrytes på grunn av at begge deler har samme magnetiske strømning. Til slutt kan du beregne en transformators ampere-svinger som et produkt av strøm ganger antall spoler som en metode for å måle magnetiseringskraften til spolen
Transformatorer i praksis
Kraftfordelingsnett sender strøm fra kraftverk til bygninger og hus. Disse kraftlinjene begynner ved kraftverket der en elektrisk generator skaper elektrisk energi fra en eller annen kilde. Dette kan være en vannkraftdamme som utnytter kraften til vann eller en gasturbin som bruker forbrenning til å skape mekanisk energi fra naturgass og omdanner den til elektrisitet. Denne elektrisiteten produseres dessverre somDC-spenningsom må konverteres til vekselstrøm for de fleste husholdningsapparater.
Transformatorer gjør denne strømmen brukbar ved å lage enfaset DC-strømforsyning for husholdninger og bygninger fra den innkommende oscillerende vekselstrømmen. Transformatorene langs strømfordelingsnettene sørger også for at spenningen er en passende mengde for huselektronikk og elektrisitetssystemer. Distribusjonsnett bruker også "busser" som skiller distribusjon i flere retninger ved siden av strømbrytere for å holde separate distribusjoner forskjellige fra hverandre.
Ingeniører står ofte for effektiviteten til transformatorer ved å bruke den enkle ligningen for effektivitet som
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
feller utgangseffektPOog inngangseffektPJeg. Basert på konstruksjonen av transformatordesign, mister ikke disse systemene energi til friksjon eller luftmotstand fordi transformatorer ikke involverer bevegelige deler.
Magnetiseringsstrømmen, mengden strøm som er nødvendig for å magnetisere kjernen transformatoren, er generelt veldig liten sammenlignet med strømmen som den primære delen av en transformator induserer. Disse faktorene betyr at transformatorer vanligvis er veldig effektive med effektivitet på 95 prosent og oppover for de fleste moderne design.
Hvis du skulle bruke en vekselstrømskilde til den primære viklingen av en transformator, den magnetiske strømmen som er indusert i den magnetiske kjernen vil fortsette å indusere en vekselstrøm i sekundærviklingen i samme fase som kilden Spenning. Den magnetiske fluksen i kjernen forblir imidlertid 90 ° bak fasevinkelen til kildespenningen. Dette betyr at den primære viklingens strøm, magnetiseringsstrømmen, også henger bak vekselstrømskilden.
Transformatorligning i gjensidig induktans
I tillegg til felt, strøm og spenning illustrerer transformatorer de elektromagnetiske fenomenene til gjensidig induktans som gir mer kraft til de primære viklingene til en transformator når den er koblet til en elektrisk forsyning.
Dette skjer som primærviklingens reaksjon på en økning i belastning, noe som forbruker kraft, på sekundærviklingene. Hvis du la til en belastning på sekundærviklingene gjennom en metode som å øke motstanden til ledningene, de primære viklingene ville svare ved å trekke mer strøm fra strømkilden for å kompensere for dette avta.Gjensidig induktanser belastningen du legger på sekundæren du kan bruke til å beregne økningen i strøm gjennom primærviklingene.
Hvis du skulle skrive en egen spenningsligning for både primær- og sekundærviklingene, kan du beskrive disse fenomenene med gjensidig induktans. For primærviklingen,
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
for strøm gjennom primærviklingenJegP, primær viklingsmotstandR1, gjensidig induktansM, primærviklingsinduktansLJeg, sekundærviklingJegSog endring i tidAt. Det negative tegnet foran den gjensidige induktansenMviser at kildestrøm umiddelbart opplever et fall i spenning på grunn av belastningen på sekundærviklingen, men som svar, hever primærviklingen sin spenning.
Denne ligningen følger reglene for å skrive ligninger som beskriver hvordan strøm og spenning er forskjellige mellom kretselementer. For en lukket elektrisk sløyfe kan du skrive summen av spenningen over hver komponent som lik null for å vise hvordan spenningen faller over hvert element i kretsen.
For de primære viklingene skriver du denne ligningen for å ta hensyn til spenningen over selve primærviklingene (JegPR1), spenningen på grunn av magnetfeltets induserte strømL1ΔIP/Δtog spenningen på grunn av effekten av gjensidig induktans fra sekundærviklingeneM ΔIS/Δt.
På samme måte kan du skrive en ligning som beskriver spenningsfallet over sekundærviklingene som
M \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
Denne ligningen inkluderer den sekundære viklingsstrømmenJegS, sekundær viklingsinduktansL2og den sekundære viklingsmotstandenR2. Motstanden og induktansen er merket med underskrift 1 eller 2 i stedet for henholdsvis P eller S, da motstander og induktorer ofte er nummerert, ikke betegnet med bokstaver. Til slutt kan du beregne gjensidig induktans fra induktorene direkte som
M = \ sqrt {L_1L_2}