Striedavý prúd (AC) vo väčšine domácich spotrebičov môže pochádzať iba z elektrických vedení, ktoré vysielajú jednosmerný prúd (DC) pomocou transformátora. Cez všetky rôzne druhy prúdu, ktoré môžu prúdiť obvodom, pomáha mať moc riadiť tieto elektrické javy. Pri každom použití pri zmene napätia obvodov sa transformátory veľmi spoliehajú na ich pomer otáčok.
Výpočet pomeru otáčok transformátora
Pomer otáčok transformátoraje rozdelenie počtu závitov v primárnom vinutí počtom závitov v sekundárnom vinutí rovnicou
T_R = \ frac {N_P} {N_S}
Tento pomer by sa mal rovnať napätiu primárneho vinutia vydelenému napätím sekundárneho vinutia, ako je danéV.p/ Vs. Primárne vinutie sa týka napájaného induktora, prvku obvodu, ktorý indukuje magnetické pole v reakcii na tok náboja transformátora a sekundárny je bezmotorový induktor.
Tieto pomery platia za predpokladu, že fázový uhol primárneho vinutia sa rovná fázovým uhlom sekundárneho vinutiarovnicaΦP = ΦS.Tento primárny a sekundárny fázový uhol popisuje, ako prúd, ktorý sa strieda medzi dopredným a opačné smery v primárnom a sekundárnom vinutí transformátora sú synchronizované s jedným ďalší.
Pre zdroje striedavého napätia, ktoré sa používajú pri transformátoroch, je prichádzajúci tvar vlny sínusový, čo je tvar, ktorý vytvára sínusová vlna. Pomer otáčok transformátora vám povie, koľko sa napätie mení transformátorom, keď prúd prechádza z primárneho vinutia do sekundárneho vinutia.
Upozorňujeme tiež, že slovo „pomer“ v tomto vzorci označuje azlomok,nie skutočný pomer. Zlomok 1/4 sa líši od pomeru 1: 4. Zatiaľ čo 1/4 je jedna časť z celku, ktorá je rozdelená na štyri rovnaké časti, pomer 1: 4 predstavuje, že pre jednu niečo sú štyri niečo iné. „Pomer“ v pomere závitov transformátora je zlomok, nie pomer, vo vzorci pomeru transformátora.
Pomer otáčok transformátora ukazuje, že zlomkový rozdiel, ktorý napätie získava, na základe počtu cievok navinutých okolo primárnej a sekundárnej časti transformátora. Transformátor s piatimi primárnymi vinutými cievkami a 10 sekundárnymi vinutými cievkami zníži zdroj napätia na polovicu, ako je dané 5/10 alebo 1/2.
To, či sa napätie zvýši alebo zníži v dôsledku týchto cievok, určuje, či ide o zosilňovací transformátor alebo zosilňovací transformátor podľa vzorca transformačného pomeru. Transformátor, ktorý nezvyšuje ani neznižuje napätie, je „impedančný transformátor“, ktorý môže buď zmerajte impedanciu, odpor obvodu voči prúdu alebo jednoducho naznačte prerušenie medzi rôznymi elektrickými obvodov.
Konštrukcia transformátora
Súčasti jadra transformátora sú dve cievky, primárne a sekundárne, ktoré obklopujú železné jadro. Feromagnetické jadro alebo jadro vyrobené z permanentného magnetu transformátora tiež používa tenké elektricky izolované plátky, aby že tieto povrchy môžu znižovať odpor pre prúd, ktorý prechádza z primárnych cievok na sekundárne cievky transformátor.
Konštrukcia transformátora bude spravidla navrhnutá tak, aby stratila čo najmenej energie. Pretože nie všetok magnetický tok z primárnych cievok prechádza do sekundárnej, v praxi dôjde k určitým stratám. Transformátory tiež stratia energiu kvôlivírivé prúdy, lokalizovaný elektrický prúd spôsobený zmenami magnetického poľa v elektrických obvodoch.
Transformátory dostávajú svoje meno, pretože používajú toto nastavenie magnetizačného jadra s vinutím na dvoch samostatných častiach transformovať elektrickú energiu na magnetickú prostredníctvom magnetizácie jadra z prúdu primárnym vinutia.
Potom magnetické jadro indukuje prúd v sekundárnych vinutiach, ktorý premieňa magnetickú energiu späť na elektrickú energiu. To znamená, že transformátory vždy pracujú na prichádzajúcom zdroji striedavého napätia, ktorý prepína v pravidelných intervaloch medzi dopredným a spätným smerom prúdu.
Typy transformátorových efektov
Okrem vzorca napätia alebo počtu cievok môžete študovať transformátory, aby ste sa dozvedeli viac o podstate rôznych typov napätia, elektromagnetická indukcia, magnetické polia, magnetický tok a ďalšie vlastnosti, ktoré sú výsledkom konštrukcie a transformátor.
Na rozdiel od zdroja napätia, ktorý vysiela prúd jedným smerom, anZdroj striedavého napätiavysielaná cez primárnu cievku vytvorí svoje vlastné magnetické pole. Tento jav je známy ako vzájomná indukčnosť.
Intenzita magnetického poľa by sa zvýšila na svoju maximálnu hodnotu, ktorá sa rovná rozdielu v magnetickom toku vydelenému časovým obdobím,dΦ / dt. Majte na pamäti, že v tomto prípadeΦsa používa na označenie magnetického toku, nie fázového uhla. Tieto čiary magnetického poľa sú ťahané smerom von od elektromagnetu. Inžinieri vyrábajúci transformátory tiež berú do úvahy väzbu toku, ktorá je produktom magnetického tokuΦa počet cievok v drôteNspôsobené magnetickým poľom prechádzajúcim z jednej cievky na druhú.
Všeobecná rovnica pre magnetický tok je
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
pre povrch, ktorým pole prechádzaAv m2, magnetické poleBv Tesla aθako uhol medzi kolmým vektorom na plochu a magnetickým poľom. Pre jednoduchý prípad ovinutia cievok okolo magnetu je tok daný
\ Phi = NBA
pre počet cievokN, magnetické poleBa v určitej oblastiApovrchu, ktorý je rovnobežný s magnetom. Pre transformátor však väzba toku spôsobí, že magnetický tok v primárnom vinutí sa rovná toku sekundárneho vinutia.
PodľaFaradayov zákon,môžete vypočítať napätie indukované v primárnom alebo sekundárnom vinutí transformátora výpočtomN x dΦ / dt. To tiež vysvetľuje, prečo sa pomer otáčok transformátora napätia jednej časti transformátora k druhej rovná počtu cievok jednej k druhej.
Ak by ste mali porovnaťN x dΦ / dtz jednej časti na druhú,dΦ / dtby sa zrušil kvôli obidvom častiam majúcim rovnaký magnetický tok. Nakoniec môžete vypočítať ampér-otáčky transformátora ako produkt aktuálneho času počtu cievok ako metódu merania magnetizačnej sily cievky
Transformátory v praxi
Siete na rozvod energie posielajú elektrinu z elektrární do budov a domov. Tieto elektrické vedenia začínajú v elektrárni, kde elektrický generátor vytvára elektrickú energiu z nejakého zdroja. Môže to byť vodná priehrada, ktorá využíva energiu vody, alebo plynová turbína, ktorá pomocou spaľovania vytvára mechanickú energiu zo zemného plynu a premieňa ju na elektrinu. Táto elektrina sa, bohužiaľ, vyrába akoJednosmerné napätiektoré je potrebné previesť na striedavé napätie pre väčšinu domácich spotrebičov.
Transformátory umožňujú túto elektrinu využiť vytvorením jednofázových jednosmerných napájacích zdrojov pre domácnosti a budovy z prichádzajúceho kmitavého striedavého napätia. Transformátory pozdĺž distribučných sietí tiež zaisťujú, aby napätie bolo vhodné pre domovú elektroniku a elektrické systémy. Distribučné mriežky tiež používajú „zbernice“, ktoré oddeľujú distribúciu do viacerých smerov pozdĺž ističov, aby udržali oddelené distribúcie od seba odlišné.
Inžinieri často berú do úvahy účinnosť transformátorov pomocou jednoduchej rovnice účinnosti ako
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
falebo výstupný výkonPOa príkonPJa. Na základe konštrukcie transformátorov tieto systémy nestrácajú energiu trením alebo odporom vzduchu, pretože transformátory nezahŕňajú pohyblivé časti.
Magnetizačný prúd, množstvo prúdu potrebné na magnetizáciu jadra transformátora, je všeobecne veľmi malé v porovnaní s prúdom, ktorý indukuje primárna časť transformátora. Tieto faktory znamenajú, že transformátory sú zvyčajne veľmi efektívne s účinnosťou 95% a viac pre väčšinu moderných dizajnov.
Ak by ste na primárne vinutie transformátora použili zdroj striedavého napätia, indukovaný magnetický tok magnetické jadro bude naďalej vyvolávať striedavé napätie v sekundárnom vinutí v rovnakej fáze ako zdroj Napätie. Magnetický tok v jadre však zostáva 90 ° za fázovým uhlom zdrojového napätia. To znamená, že prúd primárneho vinutia, magnetizačný prúd, tiež zaostáva za zdrojom striedavého napätia.
Transformačná rovnica vo vzájomnej indukčnosti
Okrem poľa, toku a napätia transformátory ilustrujú aj elektromagnetické javy vzájomných indukčnosť, ktorá dodáva viac energie primárnym vinutiam transformátora, keď je pripojený na elektrický prúd zásobovanie.
Stáva sa to ako reakcia primárneho vinutia na zvýšenie zaťaženia sekundárnych vinutí, čo spotrebúva energiu. Ak ste do sekundárnych vinutí pridali záťaž spôsobom, ako je zvýšenie odporu jeho drôtov, primárne vinutie by reagovalo odoberaním väčšieho množstva prúdu zo zdroja energie, aby to kompenzovalo pokles.Vzájomná indukčnosťje zaťaženie, ktoré kladiete na sekundárne, ktoré môžete použiť na výpočet nárastu prúdu v primárnych vinutiach.
Ak by ste chceli napísať samostatnú rovnicu napätia pre primárne aj sekundárne vinutie, mohli by ste popísať tento jav vzájomnej indukčnosti. Pre primárne vinutie
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
pre prúd primárnym vinutímJaP, odpor zaťaženia primárneho vinutiaR1, vzájomná indukčnosťM, indukčnosť primárneho vinutiaĽJa, sekundárne vinutieJaSa zmena v časeΔt. Záporné znamienko pred vzájomnou indukčnosťouMukazuje, že zdrojový prúd okamžite zažíva pokles napätia v dôsledku zaťaženia sekundárneho vinutia, ale v reakcii na to primárne vinutie zvyšuje svoje napätie.
Táto rovnica sa riadi pravidlami písania rovníc, ktoré popisujú, ako sa líšia prúd a napätie medzi prvkami obvodu. Pre uzavretú elektrickú slučku môžete napísať súčet napätia na každom komponente rovný nule, aby ste ukázali, ako klesá napätie na každom prvku v obvode.
Pre primárne vinutia napíšete túto rovnicu, aby ste zohľadnili napätie na samotných primárnych vinutiach (JaPR1), napätie v dôsledku indukovaného prúdu magnetického poľaĽ1ΔIP/Δta napätie v dôsledku účinku vzájomnej indukčnosti zo sekundárnych vinutíM ΔIS/Δt.
Podobne môžete napísať rovnicu, ktorá popisuje poklesy napätia na sekundárnych vinutiach ako
M \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
Táto rovnica zahŕňa prúd sekundárneho vinutiaJaS, indukčnosť sekundárneho vinutiaĽ2a odpor zaťaženia sekundárneho vinutiaR2. Odpor a indukčnosť sú označené dolnými indexmi 1 alebo 2 namiesto P alebo S, pretože rezistory a induktory sú často očíslované, neoznačené písmenami. Nakoniec môžete vypočítať vzájomnú indukčnosť z induktorov priamo ako
M = \ sqrt {L_1L_2}