Prąd zmienny (AC) w większości urządzeń w twoim domu może pochodzić tylko z linii energetycznych, które wysyłają prąd stały (DC) za pomocą transformatora. Poprzez wszystkie różne rodzaje prądu, które mogą przepływać przez obwód, pomaga mieć moc kontrolowania tych zjawisk elektrycznych. Przy wszystkich swoich zastosowaniach w zmianie napięcia obwodów transformatory w dużym stopniu polegają na ich współczynniku zwojów.
Obliczanie współczynnika zwojów transformatora
Przekładnia zwojów transformatorato dzielenie liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym przez liczbę zwojów w uzwojeniu wtórnym według równania
T_R=\frac{N_P}{N_S}
Stosunek ten powinien również być równy napięciu uzwojenia pierwotnego podzielonemu przez napięcie uzwojenia wtórnego, zgodnie ze wzoremVp/Vs. Uzwojenie pierwotne odnosi się do zasilanej cewki indukcyjnej, elementu obwodu, który indukuje pole magnetyczne w odpowiedzi na przepływ ładunku transformatora, a wtórny jest niezasilany induktor.
Stosunki te są prawdziwe przy założeniu, że kąt fazowy uzwojenia pierwotnego jest równy kątom fazowym wtórnego o
W przypadku źródeł napięcia przemiennego, takich jak stosowane w transformatorach, przychodzący kształt fali jest sinusoidalny, czyli kształt wytwarzany przez falę sinusoidalną. Współczynnik zwojów transformatora mówi, jak bardzo napięcie zmienia się w transformatorze, gdy prąd przepływa z uzwojeń pierwotnych do uzwojeń wtórnych.
Należy również pamiętać, że słowo „stosunek” w tym wzorze odnosi się do afrakcja,nie rzeczywisty stosunek. Ułamek 1/4 różni się od stosunku 1:4. Podczas gdy 1/4 to jedna część całości, która jest podzielona na cztery równe części, stosunek 1:4 oznacza, że na jedną z czegoś są cztery z czegoś innego. „Przełożenie” w przełożeniu zwojów transformatora jest ułamkiem, a nie przełożeniem we wzorze przekładni transformatora.
Stosunek zwojów transformatora pokazuje, że różnica ułamkowa, jaką przyjmuje napięcie na podstawie liczby cewek nawiniętych wokół części pierwotnej i wtórnej transformatora. Transformator z pięcioma uzwojeniami pierwotnymi i 10 uzwojeniami wtórnymi przetnie źródło napięcia o połowę, jak podano jako 5/10 lub 1/2.
To, czy napięcie wzrasta, czy spada w wyniku tych cewek, określa, czy jest to transformator podwyższający napięcie, czy transformator obniżający napięcie na podstawie wzoru przekładni transformatora. Transformator, który ani nie zwiększa, ani nie zmniejsza napięcia, jest „transformatorem impedancji”, który może albo zmierzyć impedancję, opozycję obwodu do prądu lub po prostu wskazać przerwy między różnymi urządzeniami elektrycznymi; obwody.
Budowa transformatora
Rdzeniem transformatora są dwie cewki, pierwotna i wtórna, które owijają się wokół żelaznego rdzenia. Rdzeń ferromagnetyczny lub rdzeń wykonany z magnesu trwałego transformatora również wykorzystuje cienkie izolowane elektrycznie plastry, dzięki czemu powierzchnie te mogą zmniejszać rezystancję prądu płynącego z uzwojeń pierwotnych do uzwojeń wtórnych transformator.
Konstrukcja transformatora będzie generalnie zaprojektowana tak, aby tracić jak najmniej energii. Ponieważ nie cały strumień magnetyczny z cewek pierwotnych przechodzi do wtórnego, w praktyce wystąpią pewne straty. Transformatory również stracą energię z powoduprądy wirowe, zlokalizowany prąd elektryczny spowodowany zmianami pola magnetycznego w obwodach elektrycznych.
Transformatory otrzymały swoją nazwę, ponieważ używają tego układu magnesującego rdzenia z uzwojeniami na dwóch oddzielnych częściach, aby przekształcić energię elektryczną w energię magnetyczną poprzez namagnesowanie rdzenia z prądu przez pierwotną uzwojenia.
Następnie rdzeń magnetyczny indukuje prąd w uzwojeniach wtórnych, który zamienia energię magnetyczną z powrotem na energię elektryczną. Oznacza to, że transformatory zawsze działają na przychodzącym źródle napięcia przemiennego, które przełącza się między kierunkiem prądu do przodu i do tyłu w regularnych odstępach czasu.
Rodzaje efektów transformatorowych
Oprócz wzoru na napięcie lub liczbę cewek, możesz zbadać transformatory, aby dowiedzieć się więcej o naturze różnych typów types napięcia, indukcję elektromagnetyczną, pola magnetyczne, strumień magnetyczny i inne właściwości wynikające z budowy a transformator.
W przeciwieństwie do źródła napięcia, które przesyła prąd w jednym kierunku, anŹródło napięcia przemiennegowysłane przez cewkę pierwotną wytworzy własne pole magnetyczne. Zjawisko to znane jest jako indukcyjność wzajemna.
Natężenie pola magnetycznego wzrosłoby do maksymalnej wartości, która jest równa różnicy strumienia magnetycznego podzielonej przez okres czasu,dΦ/dt. Pamiętaj, w tym przypadkuΦsłuży do wskazania strumienia magnetycznego, a nie kąta fazowego. Te linie pola magnetycznego są wyciągane na zewnątrz elektromagnesu. Inżynierowie budujący transformatory biorą również pod uwagę połączenie strumienia, które jest iloczynem strumienia magnetycznegoΦi liczba cewek w drucieNspowodowane przez pole magnetyczne przechodzące z jednej cewki na drugą.
Ogólne równanie strumienia magnetycznego to
\Phi = BA\cos{\theta}
dla powierzchni, przez którą przechodzi poleZAw mln2, pole magnetycznebw Tesla iθjako kąt między prostopadłym wektorem do obszaru a polem magnetycznym. W przypadku prostego przypadku owiniętych cewek wokół magnesu strumień jest podawany przez
\Phi = NBA
dla liczby cewekN, pole magnetycznebi na pewnym obszarzeZApowierzchni równoległej do magnesu. Jednak w przypadku transformatora połączenie strumienia powoduje, że strumień magnetyczny w uzwojeniu pierwotnym jest równy strumieniowi uzwojenia wtórnego.
WedługPrawo Faradaya,można obliczyć napięcie indukowane w uzwojeniach pierwotnych lub wtórnych transformatora obliczającN x dΦ/dt. Wyjaśnia to również, dlaczego transformator zmienia stosunek napięcia jednej części transformatora do drugiej jest równy liczbie cewek jednej do drugiej.
Gdybyś miał porównaćN x dΦ/dtjednej części do drugiej,dΦ/dtanulowałoby się, ponieważ obie części mają ten sam strumień magnetyczny. Wreszcie, można obliczyć amperokręty transformatora jako iloczyn prądu pomnożonego przez liczbę cewek jako metodę pomiaru siły magnesującej cewki
Transformatory w praktyce
Sieci dystrybucyjne przesyłają energię elektryczną z elektrowni do budynków i domów. Te linie energetyczne zaczynają się w elektrowni, gdzie generator elektryczny wytwarza energię elektryczną z jakiegoś źródła. Może to być zapora hydroelektryczna wykorzystująca energię wody lub turbina gazowa wykorzystująca spalanie do wytwarzania energii mechanicznej z gazu ziemnego i przekształcania jej w energię elektryczną. Ta energia elektryczna jest niestety produkowana jakoNapięcie prądu stałegoktóre należy przekonwertować na napięcie AC dla większości urządzeń domowych.
Transformatory sprawiają, że ta energia elektryczna jest użyteczna, tworząc jednofazowe zasilacze prądu stałego dla gospodarstw domowych i budynków z przychodzącego oscylującego napięcia prądu przemiennego. Transformatory wzdłuż sieci dystrybucyjnych zapewniają również odpowiednią wartość napięcia dla elektroniki domowej i systemów elektrycznych. Sieci dystrybucyjne wykorzystują również „magistrale”, które oddzielają dystrybucję w wielu kierunkach obok wyłączników, aby oddzielne dystrybucje były od siebie oddzielone.
Inżynierowie często obliczają sprawność transformatorów za pomocą prostego równania na sprawność jako
\eta = \frac{P_O}{P_I}
falub moc wyjściowaPOi moc wejściowaPja. W oparciu o konstrukcję konstrukcji transformatorów, systemy te nie tracą energii na tarcie lub opór powietrza, ponieważ transformatory nie zawierają ruchomych części.
Prąd magnesujący, ilość prądu niezbędna do namagnesowania rdzenia transformatora, jest na ogół bardzo mała w porównaniu z prądem, który indukuje pierwotna część transformatora. Czynniki te oznaczają, że transformatory są zazwyczaj bardzo wydajne, a ich sprawność wynosi 95 procent i więcej w przypadku większości nowoczesnych konstrukcji.
Jeśli miałbyś przyłożyć źródło napięcia zmiennego do uzwojenia pierwotnego transformatora, indukowany strumień magnetyczny rdzeń magnetyczny będzie nadal indukował napięcie przemienne w uzwojeniu wtórnym w tej samej fazie co źródło Napięcie. Jednak strumień magnetyczny w rdzeniu pozostaje o 90° za kątem fazowym napięcia źródła. Oznacza to, że prąd uzwojenia pierwotnego, prąd magnesujący, również pozostaje w tyle za źródłem napięcia przemiennego.
Równanie transformatora we wzajemnej indukcyjności
Oprócz pola, strumienia i napięcia transformatory ilustrują zjawiska elektromagnetyczne wzajemnej indukcyjność, która zapewnia większą moc uzwojeniom pierwotnym transformatora po podłączeniu do elektrycznego Dostawa.
Dzieje się tak, gdy uzwojenie pierwotne reaguje na wzrost obciążenia uzwojeń wtórnych, co powoduje pobór mocy. Jeśli dodałeś obciążenie do uzwojeń wtórnych za pomocą metody takiej jak zwiększenie rezystancji jego przewodów, uzwojenia pierwotne zareagowałyby, pobierając więcej prądu ze źródła zasilania, aby to zrekompensować zmniejszać.Indukcyjność wzajemnato obciążenie, które nakładasz na wtórny, którego możesz użyć do obliczenia wzrostu prądu przez uzwojenia pierwotne.
Gdybyś miał napisać osobne równanie napięciowe dla uzwojenia pierwotnego i wtórnego, mógłbyś opisać to zjawisko wzajemnej indukcyjności. Dla uzwojenia pierwotnego,
V_P=I_PR_1+L_1\frac{\Delta I_P}{\Delta t}-M\frac{\Delta I_S}{\Delta t}
dla prądu płynącego przez uzwojenie pierwotnejaP, rezystancja obciążenia uzwojenia pierwotnegoR1, indukcyjność wzajemnaM, indukcyjność uzwojenia pierwotnegoLja, uzwojenie wtórnejaSi zmiany w czasiet. Znak ujemny przed indukcyjnością wzajemnąMpokazuje, że prąd źródłowy natychmiast doświadcza spadku napięcia z powodu obciążenia uzwojenia wtórnego, ale w odpowiedzi uzwojenie pierwotne podnosi napięcie.
To równanie jest zgodne z zasadami pisania równań, które opisują, jak prąd i napięcie różnią się między elementami obwodu. W przypadku zamkniętej pętli elektrycznej możesz zapisać sumę napięcia na każdym elemencie jako równą zeru, aby pokazać, jak napięcie spada na każdym elemencie w obwodzie.
Dla uzwojeń pierwotnych piszesz to równanie, aby uwzględnić napięcie na samych uzwojeniach pierwotnych (jaPR1), napięcie spowodowane indukowanym prądem pola magnetycznegoL1JaP/Δtoraz napięcie wynikające z efektu wzajemnej indukcyjności z uzwojeń wtórnychM ΔIS/Δt.
Podobnie można napisać równanie opisujące spadki napięcia na uzwojeniach wtórnych jako
M\frac{\Delta I_P}{\Delta t}=I_SR_2+L_2\frac{\Delta I_S}{\Delta t}
To równanie obejmuje prąd uzwojenia wtórnegojaS, indukcyjność uzwojenia wtórnegoL2i rezystancja obciążenia uzwojenia wtórnego;R2. Rezystancja i indukcyjność są oznaczone indeksami 1 lub 2 zamiast odpowiednio P lub S, ponieważ rezystory i cewki są często numerowane, a nie oznaczane literami. Na koniec możesz obliczyć indukcyjność wzajemną bezpośrednio z cewek indukcyjnych jako
M=\sqrt{L_1L_2}