Curentul alternativ (AC) din majoritatea aparatelor din casa dvs. poate proveni numai de la liniile de alimentare care trimit curent continuu (DC) prin utilizarea unui transformator. Prin intermediul diferitelor tipuri de curent care pot circula printr-un circuit, ajută la controlul acestor fenomene electrice. Pentru toate utilizările lor în schimbarea tensiunii circuitelor, transformatoarele se bazează foarte mult pe raportul lor de rotații.
Calculul raportului transformărilor transformatorului
Un transformator transformă raportuleste împărțirea numărului de spire în înfășurarea primară cu numărul de spire în înfășurarea secundară prin ecuație
T_R = \ frac {N_P} {N_S}
Acest raport ar trebui, de asemenea, să fie egal cu tensiunea înfășurării primare împărțită la tensiunea înfășurării secundare, așa cum este dată deVp/ Vs. Înfășurarea primară se referă la inductorul alimentat, un element de circuit care induce un câmp magnetic ca răspuns la fluxul de sarcină, al transformatorului, iar cel secundar este cel nealimentat inductor.
Aceste rapoarte sunt valabile în ipoteza că unghiul de fază al înfășurării primare este egal cu unghiurile de fază ale secundarului cuecuaţieΦP = ΦS.Acest unghi de fază primar și secundar descrie modul în care curentul, care alternează între înainte și direcțiile inverse în înfășurările primare și secundare ale transformatorului sunt sincronizate cu una un alt.
Pentru sursele de tensiune alternativă, așa cum se utilizează cu transformatoarele, forma de undă de intrare este sinusoidală, forma pe care o produce o undă sinusoidală. Raportul transformărilor transformatorului vă arată cât de mult se modifică tensiunea prin transformator pe măsură ce curentul trece de la înfășurările primare la înfășurările secundare.
De asemenea, vă rugăm să rețineți că cuvântul „raport” din aceste formule se referă la afracțiune,nu un raport real. Fracția de 1/4 este diferită de raportul 1: 4. În timp ce 1/4 este o parte dintr-un întreg care este împărțit în patru părți egale, raportul 1: 4 reprezintă că, pentru unul din ceva, există patru din altceva. „Raportul” din raportul transformatorului transformă este o fracțiune, nu un raport, în formula raportului transformatorului.
Raportul transformărilor transformatorului arată că diferența fracțională pe care o ia tensiunea pe baza numărului de bobine înfășurate în jurul părților primare și secundare ale transformatorului. Un transformator cu cinci bobine primare și 10 bobine secundare va tăia o sursă de tensiune în jumătate, așa cum este dată de 5/10 sau 1/2.
Indiferent dacă tensiunea crește sau scade ca urmare a acestor bobine, se determină un transformator step-up sau transformator step-down prin formula raportului transformatorului. Un transformator care nu crește și nici nu scade tensiunea este un „transformator de impedanță” care poate să fie măsurați impedanța, opoziția unui circuit față de curent sau pur și simplu indicați pauze între diferite electrice circuite.
Construcția unui transformator
Componentele de bază ale unui transformator sunt cele două bobine, primară și secundară, care se înfășoară în jurul unui miez de fier. Miezul feromagnetic sau un miez fabricat dintr-un magnet permanent al unui transformator folosește, de asemenea, felii subțiri izolate electric, astfel încât că aceste suprafețe pot reduce rezistența curentului care trece de la bobinele primare la bobinele secundare ale transformator.
Construcția unui transformator va fi în general concepută pentru a pierde cât mai puțină energie posibil. Deoarece nu tot fluxul magnetic de la bobinele primare trece la secundar, în practică va exista o anumită pierdere. Transformatoarele vor pierde, de asemenea, energie din cauzacurenți turbionari, curent electric localizat cauzat de modificările câmpului magnetic din circuitele electrice.
Transformatoarele își primesc numele deoarece folosesc această configurație a unui miez de magnetizare cu înfășurări pe două părți separate ale acestuia transformă energia electrică în energie magnetică prin magnetizarea miezului din curent prin primar înfășurări.
Apoi, miezul magnetic induce un curent în înfășurările secundare, care transformă energia magnetică înapoi în energie electrică. Aceasta înseamnă că transformatoarele funcționează întotdeauna pe o sursă de tensiune alternativă, care comută între direcțiile de curent înainte și invers la intervale regulate.
Tipuri de efecte transformatoare
În afară de formula tensiunii sau a numărului de bobine, puteți studia transformatoarele pentru a afla mai multe despre natura diferitelor tipuri de tensiuni, inducție electromagnetică, câmpuri magnetice, flux magnetic și alte proprietăți care rezultă din construcția unui transformator.
Spre deosebire de o sursă de tensiune care trimite curent într-o direcție, unSursa de tensiune ACtrimis prin bobina primară își va crea propriul câmp magnetic. Acest fenomen este cunoscut sub numele de inductanță reciprocă.
Intensitatea câmpului magnetic ar crește la valoarea sa maximă, care este egală cu diferența de flux magnetic împărțită la o perioadă de timp,dΦ / dt. Rețineți, în acest caz,Φeste folosit pentru a indica fluxul magnetic, nu unghiul de fază. Aceste linii de câmp magnetic sunt trasate spre exterior de la electromagnet. Inginerii care construiesc transformatoare iau în calcul și legătura fluxului, care este produsul fluxului magneticΦși numărul bobinelor din firNcauzată de trecerea câmpului magnetic de la o bobină la alta.
Ecuația generală pentru fluxul magnetic este
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
pentru o suprafață prin care trece câmpulAin m2, camp magneticBîn Teslas șiθca unghiul dintre un vector perpendicular pe zonă și câmpul magnetic. Pentru cazul simplu al bobinelor înfășurate în jurul unui magnet, fluxul este dat de
\ Phi = NBA
pentru numărul de bobineN, camp magneticBși peste o anumită zonăAa unei suprafețe care este paralelă cu magnetul. Cu toate acestea, pentru un transformator, legătura fluxului face ca fluxul magnetic din înfășurarea primară să fie egal cu cel al înfășurării secundare.
ConformLegea lui Faraday,puteți calcula tensiunea indusă în înfășurările primare sau secundare ale transformatorului calculândN x dΦ / dt. Acest lucru explică, de asemenea, de ce transformatorul transformă raportul dintre tensiunea unei părți a transformatorului și cealaltă este egal cu numărul de bobine de la una la cealaltă.
Dacă ar fi să comparațiN x dΦ / dtde la o parte la alta,dΦ / dts-ar anula din cauza ambelor părți având același flux magnetic. În cele din urmă, puteți calcula amperi-transformări ale unui transformator ca produs al curentului ori numărul de bobine ca metodă de măsurare a forței de magnetizare a bobinei
Transformatoare în practică
Rețelele de distribuție a energiei electrice trimit electricitatea de la centrale la clădiri și case. Aceste linii electrice încep de la centrala electrică unde un generator electric creează energie electrică dintr-o sursă. Acesta ar putea fi un baraj hidroelectric care valorifică puterea apei sau o turbină cu gaz care folosește combustia pentru a crea energie mecanică din gazul natural și o transformă în electricitate. Această electricitate este, din păcate, produsă caTensiune continuăcare trebuie transformat în tensiune alternativă pentru majoritatea electrocasnicelor.
Transformatoarele fac această electricitate utilizabilă prin crearea de surse de curent continuu monofazate pentru gospodării și clădiri din tensiunea de curent alternativ de intrare. Transformatoarele de-a lungul rețelelor de distribuție a energiei asigură, de asemenea, că tensiunea este o cantitate adecvată pentru sistemele electronice de casă și electricitate. Grilele de distribuție utilizează, de asemenea, „autobuze” care separă distribuția în mai multe direcții, alături de întrerupătoare de circuit, pentru a menține distribuții separate distincte una de alta.
Inginerii consideră adesea eficiența transformatoarelor folosind ecuația simplă pentru eficiență
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
fsau puterea de ieșirePOși puterea de intrarePEu. Pe baza construcției proiectelor transformatoarelor, aceste sisteme nu pierd energie prin frecare sau rezistență la aer, deoarece transformatoarele nu implică piese în mișcare.
Curentul de magnetizare, cantitatea de curent necesară pentru magnetizarea nucleului transformatorului, este în general foarte mică în comparație cu curentul pe care îl induce partea primară a unui transformator. Acești factori înseamnă că transformatoarele sunt de obicei foarte eficiente, cu o eficiență de 95% sau mai mare pentru cele mai multe modele moderne.
Dacă ar fi să aplicați o sursă de tensiune alternativă la înfășurarea primară a unui transformator, fluxul magnetic în care este indus miezul magnetic va continua să inducă o tensiune alternativă în înfășurarea secundară în aceeași fază ca sursa Voltaj. Fluxul magnetic din miez rămâne totuși la 90 ° în spatele unghiului de fază al tensiunii sursei. Aceasta înseamnă că curentul înfășurării primare, curentul de magnetizare, rămâne, de asemenea, în spatele sursei de tensiune AC.
Ecuația transformatorului în inductanță reciprocă
În plus față de câmp, flux și tensiune, transformatoarele ilustrează fenomenele electromagnetice de reciprocitate inductanță care conferă mai multă putere înfășurărilor primare ale unui transformator atunci când este conectat la un dispozitiv electric livra.
Acest lucru se întâmplă ca reacție a înfășurării primare la o creștere a sarcinii, ceva care consumă energie, la înfășurările secundare. Dacă ați adăugat o sarcină la înfășurările secundare printr-o metodă cum ar fi creșterea rezistenței firelor sale, înfășurările primare ar răspunde trăgând mai mult curent din sursa de alimentare pentru a compensa acest lucru scădea.Inductanță mutualăeste sarcina pe care ați pus-o pe secundar pe care o puteți utiliza pentru a calcula creșterea curentului prin înfășurările primare.
Dacă ar fi să scrieți o ecuație de tensiune separată atât pentru înfășurările primare, cât și pentru cele secundare, ați putea descrie acest fenomen de inductanță reciprocă. Pentru înfășurarea primară,
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
pentru curent prin înfășurarea primarăEuP, rezistența primară a sarcinii înfășurăriiR1, inductanță mutualăM, inductanță primară de înfășurareLEu, înfășurare secundarăEuSși schimbarea în timpΔt. Semnul negativ în fața inductanței reciproceMarată că curentul sursă se confruntă imediat cu o scădere a tensiunii din cauza sarcinii înfășurării secundare, dar, ca răspuns, înfășurarea primară își crește tensiunea.
Această ecuație urmează regulile de scriere a ecuațiilor care descriu modul în care curentul și tensiunea diferă între elementele circuitului. Pentru o buclă electrică închisă, puteți scrie suma tensiunii pe fiecare componentă egală cu zero pentru a arăta cum scade tensiunea pe fiecare element din circuit.
Pentru înfășurările primare, scrieți această ecuație pentru a ține cont de tensiunea înfășurărilor primare (EuPR1), tensiunea datorată curentului indus al câmpului magneticL1ΔIP/Δtși tensiunea datorată efectului inductanței reciproce de la înfășurările secundareM ΔIS/Δt.
În mod similar, puteți scrie o ecuație care descrie căderile de tensiune pe înfășurările secundare ca
M \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
Această ecuație include curentul secundar de înfășurareEuS, inductanță secundară de înfășurareL2și rezistența sarcinii la înfășurarea secundarăR2. Rezistența și inductanța sunt etichetate cu un indice 1 sau 2 în loc de P sau respectiv S, deoarece rezistențele și inductoarele sunt adesea numerotate, nu notate folosind litere. În cele din urmă, puteți calcula inductanța reciprocă de la inductori direct ca
M = \ sqrt {L_1L_2}
