Izmenični tok (AC) v večini naprav v vašem domu lahko prihaja samo iz daljnovodov, ki oddajajo enosmerni tok (DC) z uporabo transformatorja. Skozi vse različne vrste toka, ki lahko teče skozi vezje, pomaga imeti moč za nadzor teh električnih pojavov. Pri vseh svojih uporabah pri spreminjanju napetosti vezij se transformatorji močno zanašajo na razmerje obratov.
Izračun razmerja obratov transformatorja
Razmerje obratov transformatorjaje delitev števila zavojev v primarnem navitju s številom zavojev v sekundarnem navitju z enačbo
T_R = \ frac {N_P} {N_S}
To razmerje mora biti enako napetosti primarnega navitja, deljeni z napetostjo sekundarnega navitja, kot je določeno zVstr/ Vs. Primarno navitje se nanaša na električni induktor, element vezja, ki inducira magnetno polje kot odziv na tok naboja transformatorja, sekundarni pa je brez pogona induktor.
Ta razmerja veljajo ob predpostavki, da je fazni kot primarnega navitja enak faznim kotom sekundarnega zenačbaΦP = ΦS.Ta primarni in sekundarni fazni kot opisuje, kako tok, ki se izmenjuje med naprej in povratne smeri v primarnem in sekundarnem navitju transformatorja so sinhronizirane z enim drugo.
Pri virih izmenične napetosti, ki se uporabljajo pri transformatorjih, je vhodna valovna oblika sinusna, oblika sinusnega vala. Razmerje obratov transformatorja vam pove, koliko se napetost spreminja skozi transformator, ko tok prehaja iz primarnih navitij v sekundarna navitja.
Upoštevajte tudi, da se beseda "razmerje" v tej formuli nanaša na aulomek,ni dejansko razmerje. Ulomek 1/4 se razlikuje od razmerja 1: 4. Medtem ko je 1/4 en del celote, ki je razdeljen na štiri enake dele, razmerje 1: 4 predstavlja, da obstajajo za nekaj drugega nekaj drugega. "Razmerje" v razmerju zavojev transformatorja je v formuli razmerja transformatorja delež in ne razmerje.
Razmerje zavojev transformatorja razkriva, da delna razlika, ki jo napetost vzame glede na število tuljav, navitih okoli primarnega in sekundarnega dela transformatorja. Transformator s petimi primarnimi navitji in 10 sekundarnimi navitimi tuljavami bo napetostni vir prepolovil, kot je določeno s 5/10 ali 1/2.
Ali se napetost poveča ali zmanjša zaradi teh tuljav, po formuli razmerja transformatorja določa, ali gre za povečevalni transformator ali transformator. Transformator, ki niti ne povečuje niti zmanjšuje napetosti, je "impedančni transformator", ki lahko izmerite impedanco, nasprotovanje vezja toku ali preprosto označite prekinitve med različnimi električnimi vezja.
Konstrukcija transformatorja
Jedrni sestavni deli transformatorja sta primarni in sekundarni tuljavi, ki se ovijeta okoli železnega jedra. Feromagnetno jedro ali jedro transformatorja iz trajnega magneta uporablja tudi tanke električno izolirane rezine, tako da da lahko te površine zmanjšajo upor za tok, ki prehaja iz primarnih tuljav v sekundarne tuljave transformator.
Konstrukcija transformatorja bo praviloma zasnovana tako, da bo izgubila čim manj energije. Ker ves magnetni tok iz primarnih tuljav ne preide v sekundarni, bo v praksi prišlo do nekaj izgub. Tudi transformatorji bodo zaradi energije izgubili energijovrtinčni tokovi, lokaliziran električni tok, ki ga povzročajo spremembe magnetnega polja v električnih tokokrogih.
Transformatorji so dobili svoje ime, ker uporabljajo to nastavitev magnetizirajočega jedra z navitji na dveh ločenih delih transformirati električno energijo v magnetno z magnetizacijo jedra iz toka skozi primarno navitja.
Nato magnetno jedro inducira tok v sekundarnih navitjih, ki magnetno energijo pretvori nazaj v električno energijo. To pomeni, da transformatorji vedno delujejo na dohodni vir izmenične napetosti, ki redno preklaplja med smerjo naprej in nazaj.
Vrste transformatorskih učinkov
Poleg formule napetosti ali števila tuljav lahko preučite transformatorje, če želite izvedeti več o naravi različnih vrst napetosti, elektromagnetna indukcija, magnetna polja, magnetni tok in druge lastnosti, ki so posledica konstrukcije a transformator.
V nasprotju z napetostnim virom, ki oddaja tok v eno smer, anVir izmenične napetostiposlana skozi primarno tuljavo bo ustvarila lastno magnetno polje. Ta pojav je znan kot medsebojna induktivnost.
Jakost magnetnega polja bi se povečala na svojo največjo vrednost, ki je enaka razliki v magnetnem toku, deljeni s časovnim obdobjem,dΦ / dt. V tem primeru upoštevajteΦse uporablja za prikaz magnetnega pretoka, ne faznega kota. Te črte magnetnega polja so potegnjene navzven od elektromagneta. Inženirji, ki gradijo transformatorje, upoštevajo tudi povezavo toka, ki je produkt magnetnega tokaΦin število tuljav v žiciNki ga povzroča magnetno polje, ki prehaja iz ene tuljave v drugo.
Splošna enačba za magnetni tok je
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
za površino, skozi katero gre poljeAv m2, magnetno poljeBv Tesli inθkot kot med pravokotnim vektorjem na območje in magnetnim poljem. Za preprost primer ovitih tuljav okoli magneta je pretok podan z
\ Phi = NBA
za število tuljavN, magnetno poljeBin na določenem območjuApovršine, ki je vzporedna z magnetom. Vendar pa za transformator magnetna pretoka v primarnem navitju povzroči enak magnetni tok v sekundarnem navitju.
Po navedbahFaradayev zakon,z izračunom lahko izračunate napetost, inducirano v primarnem ali sekundarnem navitju transformatorjaN x dΦ / dt. To tudi pojasnjuje, zakaj je razmerje napetosti enega dela transformatorja na drugega transformatorja enako številu tuljav enega na drugega.
Če bi primerjaliN x dΦ / dtenega dela drugemu,dΦ / dtbi se izničila zaradi obeh delov z enakim magnetnim tokom. Na koncu lahko izračunate amperske zavoje transformatorja kot zmnožek trenutnega pomnoženega števila tuljav kot način merjenja magnetizacijske sile tuljave
Transformatorji v praksi
Distribucijska omrežja pošiljajo elektriko iz elektrarn v zgradbe in hiše. Ti daljnovodi se začnejo v elektrarni, kjer električni generator ustvarja električno energijo iz nekega vira. To je lahko hidroelektrarna, ki izkorišča moč vode ali plinska turbina, ki z zgorevanjem ustvarja mehansko energijo iz zemeljskega plina in jo pretvori v električno energijo. Ta električna energija se na žalost proizvaja kotEnosmerna napetostki jo je za večino gospodinjskih aparatov treba pretvoriti v izmenično napetost.
Transformatorji to električno energijo uporabljajo tako, da iz dohodne nihajne izmenične napetosti ustvarijo enofazne enosmerne napajalnike za gospodinjstva in stavbe. Transformatorji vzdolž distribucijskih omrežij tudi zagotavljajo, da je napetost primerna za hišno elektroniko in električne sisteme. Distribucijske mreže uporabljajo tudi "vodila", ki ločujejo distribucijo v več smeri skupaj z odklopniki, da ločene distribucije ločijo med seboj.
Inženirji pogosto izračunajo učinkovitost transformatorjev z uporabo preproste enačbe za učinkovitost kot
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
fali izhodno močPOin vhodna močPjaz. Na podlagi konstrukcije transformatorskih sistemov ti sistemi ne izgubljajo energije zaradi trenja ali zračnega upora, ker transformatorji ne vključujejo gibljivih delov.
Magnetizacijski tok, količina toka, ki je potreben za magnetizacijo jedra transformatorja, je na splošno zelo majhen v primerjavi s tokom, ki ga inducira primarni del transformatorja. Ti dejavniki pomenijo, da so transformatorji običajno zelo učinkoviti z učinkovitostjo 95 odstotkov in večjo za večino sodobnih modelov.
Če bi na primarno navitje transformatorja uporabili vir izmenične napetosti, magnetni tok, ki je induciran magnetno jedro bo še naprej induciralo izmenično napetost v sekundarnem navitju v isti fazi kot vir Napetost. Magnetni tok v jedru pa ostaja 90 ° za faznim kotom napetosti vira. To pomeni, da tok primarnega navitja, magnetni tok, prav tako zaostaja za izvorom izmenične napetosti.
Enačba transformatorja v vzajemni induktivnosti
Poleg polja, pretoka in napetosti transformatorji ponazarjajo medsebojne elektromagnetne pojave induktivnost, ki daje več moči primarnim navitjem transformatorja, ko je priključen na elektriko ponudbe.
To se zgodi kot reakcija primarnega navitja na povečanje obremenitve, ki porabi moč, na sekundarnih navitjih. Če ste sekundarnim navitjem dodali obremenitev po metodi, kot je povečanje upora njegovih žic, primarna navitja bi se odzvala tako, da bi to izravnala iz vira energije zmanjšanje.Medsebojna induktivnostje obremenitev, ki jo oddate na sekundarno, s katero lahko izračunate povečanje toka skozi primarne navitje.
Če bi morali napisati ločeno enačbo napetosti za primarno in sekundarno navitje, bi lahko opisali te pojave medsebojne induktivnosti. Za primarno navitje
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
za tok skozi primarni navitjazP, odpornost na obremenitev primarnega navitjaR1, medsebojna induktivnostM, induktivnost primarnega navitjaLjaz, sekundarno navitjejazSin spremembe v časuΔt. Negativni znak pred medsebojno induktivnostjoMkaže, da vir toka takoj povzroči padec napetosti zaradi obremenitve na sekundarnem navitju, vendar v odziv primarni navit dvigne svojo napetost.
Ta enačba sledi pravilom zapisovanja enačb, ki opisujejo, kako se tok in napetost razlikujeta med elementi vezja. Za zaprto električno zanko lahko vsoto napetosti na vsaki komponenti zapišete kot nič, da prikažete, kako napetost pada na vsakem elementu v vezju.
Za primarna navitja zapišete to enačbo, da upoštevate napetost na samih primarnih navitjih (jazPR1), napetost zaradi induciranega toka magnetnega poljaL1ΔIP/Δtin napetost zaradi učinka medsebojne induktivnosti iz sekundarnih navitijM ΔIS/Δt.
Podobno lahko napišete enačbo, ki opisuje padce napetosti na sekundarnih navitjih kot
M \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
Ta enačba vključuje tok sekundarnega navitjajazS, induktivnost sekundarnega navitjaL2in odpornost na obremenitev sekundarnega navitjaR2. Upor in induktivnost sta namesto P ali S označena z indeksoma 1 ali 2, saj so upori in induktorji pogosto oštevilčeni in niso označeni s črkami. Na koncu lahko izračunate medsebojno induktivnost iz induktorjev neposredno kot
M = \ sqrt {L_1L_2}