กระแสสลับ (AC) ในเครื่องใช้ไฟฟ้าส่วนใหญ่ในบ้านของคุณสามารถมาจากสายไฟที่ส่งกระแสตรง (DC) ผ่านการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเท่านั้น ผ่านกระแสประเภทต่างๆ ที่อาจไหลผ่านวงจร จะช่วยให้มีกำลังในการควบคุมปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเหล่านี้ สำหรับการใช้งานทั้งหมดในการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าของวงจร หม้อแปลงพึ่งพาอัตราส่วนรอบของพวกเขาอย่างมาก
การคำนวณอัตราส่วนการเปลี่ยนหม้อแปลง
อัตราส่วนการเปลี่ยนหม้อแปลงคือการหารจำนวนรอบในขดลวดปฐมภูมิด้วยจำนวนรอบในขดลวดทุติยภูมิด้วยสมการ
T_R=\frac{N_P}{N_S}
อัตราส่วนนี้ควรเท่ากับแรงดันของขดลวดปฐมภูมิหารด้วยแรงดันของขดลวดทุติยภูมิตามที่กำหนดโดยวีพี/Vส. ขดลวดปฐมภูมิหมายถึงตัวเหนี่ยวนำที่ขับเคลื่อนด้วยซึ่งเป็นองค์ประกอบวงจรที่เหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก เพื่อตอบสนองต่อการไหลของประจุของหม้อแปลงและตัวรองคือตัวที่ไม่ได้รับพลังงานpower ตัวเหนี่ยวนำ
อัตราส่วนเหล่านี้เป็นจริงภายใต้สมมติฐานที่ว่ามุมเฟสของขดลวดปฐมภูมิเท่ากับมุมเฟสของขดลวดทุติยภูมิโดยสมการΦพี = Φส.มุมเฟสปฐมภูมิและทุติยภูมินี้อธิบายว่ากระแสซึ่งสลับกันระหว่างไปข้างหน้าและ ทิศทางย้อนกลับในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าที่ซิงโครไนซ์กับหนึ่ง อื่น
สำหรับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งใช้กับหม้อแปลงไฟฟ้า รูปคลื่นที่เข้ามาจะเป็นรูปไซน์ ซึ่งสร้างเป็นคลื่นไซน์ อัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงจะบอกคุณว่าแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงผ่านหม้อแปลงมากเพียงใดเมื่อกระแสผ่านจากขดลวดปฐมภูมิไปยังขดลวดทุติยภูมิ
นอกจากนี้ โปรดทราบว่าคำว่า "อัตราส่วน" ในสูตรเหล่านี้หมายถึงaเศษส่วนไม่ใช่อัตราส่วนที่แท้จริง เศษส่วนของ 1/4 ต่างจากอัตราส่วน 1:4 ในขณะที่ 1/4 เป็นส่วนหนึ่งของส่วนที่แบ่งออกเป็นสี่ส่วนเท่า ๆ กัน อัตราส่วน 1:4 แสดงถึงสิ่งนั้น สำหรับสิ่งหนึ่ง มีอย่างอื่นอีกสี่ส่วน "อัตราส่วน" ในอัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงคือเศษส่วน ไม่ใช่อัตราส่วน ในสูตรอัตราส่วนของหม้อแปลง
อัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงเผยให้เห็นความแตกต่างของเศษส่วนที่แรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับจำนวนขดลวดที่พันรอบส่วนหลักและส่วนรองของหม้อแปลง หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีขดลวดพันแผลหลัก 5 อันและขดลวดรอง 10 อันจะตัดแหล่งแรงดันไฟฟ้าครึ่งหนึ่งตามที่กำหนดโดย 5/10 หรือ 1/2
ไม่ว่าแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงอันเป็นผลมาจากขดลวดเหล่านี้กำหนดว่าเป็นหม้อแปลงแบบสเต็ปอัพหรือหม้อแปลงสเต็ปดาวน์ตามสูตรอัตราส่วนหม้อแปลง หม้อแปลงไฟฟ้าที่ไม่เพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าเป็น "หม้อแปลงอิมพีแดนซ์" ที่สามารถทำได้อย่างใดอย่างหนึ่ง วัดอิมพีแดนซ์ กระแสตรงข้ามของวงจร หรือเพียงแค่ระบุการแตกระหว่างไฟฟ้าต่างๆ วงจร
การสร้างหม้อแปลงไฟฟ้า
ส่วนประกอบหลักของหม้อแปลงไฟฟ้าคือขดลวดสองขดลวด ขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ ที่พันรอบแกนเหล็ก แกนเฟอร์โรแมกเนติกหรือแกนที่ทำจากแม่เหล็กถาวรของหม้อแปลงยังใช้ชิ้นฉนวนไฟฟ้าบาง ๆ ดังนั้น ที่พื้นผิวเหล่านี้สามารถลดความต้านทานกระแสที่ไหลจากขดลวดปฐมภูมิไปยังขดลวดทุติยภูมิของ of หม้อแปลงไฟฟ้า
การก่อสร้างหม้อแปลงไฟฟ้าโดยทั่วไปจะได้รับการออกแบบให้สูญเสียพลังงานน้อยที่สุด เนื่องจากไม่ใช่ทั้งหมดของฟลักซ์แม่เหล็กจากขดลวดปฐมภูมิผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิ ในทางปฏิบัติจะมีการสูญเสียบ้าง หม้อแปลงก็จะสูญเสียพลังงานเนื่องจาก dueกระแสน้ำวนกระแสไฟฟ้าเฉพาะที่ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กในวงจรไฟฟ้า
Transformers ได้ชื่อมาเพราะพวกเขาใช้การติดตั้งแกนแม่เหล็กที่มีขดลวดบนสองส่วนแยกกันถึง เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแม่เหล็กผ่านการทำให้เป็นแม่เหล็กของแกนกลางจากกระแสผ่านหลัก ขดลวด
จากนั้นแกนแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำกระแสในขดลวดทุติยภูมิ ซึ่งจะแปลงพลังงานแม่เหล็กกลับเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าหม้อแปลงทำงานบนแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่เข้ามาเสมอ ซึ่งจะเปลี่ยนระหว่างทิศทางไปข้างหน้าและทิศทางย้อนกลับของกระแสในช่วงเวลาปกติ
ประเภทของเอฟเฟกต์หม้อแปลง
นอกจากสูตรแรงดันไฟหรือจำนวนคอยส์แล้ว คุณยังสามารถศึกษาหม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับธรรมชาติของชนิดต่างๆ แรงดันไฟฟ้า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก ฟลักซ์แม่เหล็ก และคุณสมบัติอื่นๆ ที่เกิดจากการสร้าง a หม้อแปลงไฟฟ้า
ตรงกันข้ามกับแหล่งจ่ายแรงดันที่ส่งกระแสไปในทิศทางเดียว anแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับส่งผ่านขดลวดปฐมภูมิจะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำร่วมกัน
ความแรงของสนามแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นเป็นค่าสูงสุด ซึ่งเท่ากับความแตกต่างของฟลักซ์แม่เหล็กหารด้วยระยะเวลาหนึ่งdΦ/dt. โปรดทราบว่าในกรณีนี้Φใช้เพื่อระบุฟลักซ์แม่เหล็ก ไม่ใช่มุมเฟส เส้นสนามแม่เหล็กเหล่านี้ถูกดึงออกมาจากแม่เหล็กไฟฟ้า วิศวกรที่สร้างหม้อแปลงไฟฟ้ายังคำนึงถึงการเชื่อมโยงฟลักซ์ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของฟลักซ์แม่เหล็กΦและจำนวนขดลวดในเส้นลวดนู๋เกิดจากสนามแม่เหล็กส่งผ่านจากขดลวดหนึ่งไปยังอีกขดลวดหนึ่ง
สมการทั่วไปของฟลักซ์แม่เหล็กคือ
\Phi = BA\cos{\theta}
สำหรับพื้นที่ผิวที่สนามผ่านอาใน m2, สนามแม่เหล็กบีในเทสลาและθเป็นมุมระหว่างเวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นที่กับสนามแม่เหล็ก สำหรับกรณีง่าย ๆ ของขดลวดพันรอบแม่เหล็ก ฟลักซ์จะได้รับโดย
\พี = NBA
สำหรับจำนวนขดลวดนู๋, สนามแม่เหล็กบีและในบางพื้นที่อาของพื้นผิวที่ขนานกับแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า การเชื่อมโยงฟลักซ์ทำให้ฟลักซ์แม่เหล็กในขดลวดปฐมภูมิเท่ากับขดลวดทุติยภูมิ
ตามที่กฎของฟาราเดย์,คุณสามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขดลวดปฐมภูมิหรือทุติยภูมิของหม้อแปลงได้โดยการคำนวณยังไม่มีข้อความ x dΦ/dt. สิ่งนี้ยังอธิบายด้วยว่าเหตุใดหม้อแปลงจึงเปลี่ยนอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าของส่วนหนึ่งของหม้อแปลงไปยังอีกส่วนหนึ่งเท่ากับจำนวนคอยส์ของอีกส่วนหนึ่ง
ถ้าคุณจะเปรียบเทียบยังไม่มีข้อความ x dΦ/dtจากส่วนหนึ่งไปสู่อีกส่วนหนึ่งdΦ/dtจะหักล้างเนื่องจากทั้งสองส่วนมีฟลักซ์แม่เหล็กเท่ากัน สุดท้าย คุณสามารถคำนวณค่าแอมแปร์-เทิร์นของหม้อแปลงเป็นผลคูณของกระแสคูณด้วยจำนวนคอยส์ซึ่งเป็นวิธีการวัดแรงแม่เหล็กของขดลวด
Transformers ในทางปฏิบัติ
กริดจำหน่ายไฟฟ้าส่งไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าไปยังอาคารและบ้านเรือน สายไฟเหล่านี้เริ่มต้นที่โรงไฟฟ้าที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสร้างพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งใดแหล่งหนึ่ง นี่อาจเป็นเขื่อนไฟฟ้าพลังน้ำที่ใช้พลังน้ำหรือกังหันก๊าซที่ใช้การเผาไหม้เพื่อสร้างพลังงานกลจากก๊าซธรรมชาติและแปลงเป็นไฟฟ้า น่าเสียดายที่ไฟฟ้านี้ผลิตเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงซึ่งจำเป็นต้องแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับเครื่องใช้ในบ้านส่วนใหญ่
หม้อแปลงไฟฟ้าทำให้ไฟฟ้านี้ใช้งานได้โดยการสร้างแหล่งจ่ายไฟ DC เฟสเดียวสำหรับครัวเรือนและอาคารจากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้า หม้อแปลงไฟฟ้าตามกริดจำหน่ายไฟฟ้ายังช่วยให้มั่นใจว่าแรงดันไฟฟ้าเป็นปริมาณที่เหมาะสมสำหรับระบบไฟฟ้าภายในบ้านและระบบไฟฟ้า กริดการกระจายยังใช้ "บัส" ที่แยกการกระจายออกเป็นหลายทิศทางควบคู่ไปกับเบรกเกอร์วงจรเพื่อให้การแจกแจงแยกจากกัน
วิศวกรมักจะคำนึงถึงประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้าโดยใช้สมการง่าย ๆ เพื่อประสิทธิภาพเช่น
\eta = \frac{P_O}{P_I}
ฉหรือกำลังขับพีอู๋และกำลังไฟฟ้าเข้าพีผม. ตามการออกแบบของหม้อแปลง ระบบเหล่านี้จะไม่สูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทานหรือแรงต้านของอากาศ เนื่องจากหม้อแปลงไม่เกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว
กระแสแม่เหล็ก ปริมาณกระแสที่จำเป็นในการทำให้แกนของหม้อแปลงเป็นแม่เหล็ก โดยทั่วไปมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับกระแสที่ส่วนหลักของหม้อแปลงไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ปัจจัยเหล่านี้หมายความว่าโดยทั่วไปแล้วหม้อแปลงจะมีประสิทธิภาพมากโดยมีประสิทธิภาพ 95 เปอร์เซ็นต์และสูงกว่าสำหรับการออกแบบที่ทันสมัยที่สุด
หากคุณต้องใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับกับขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า ฟลักซ์แม่เหล็กที่เหนี่ยวนำเข้า แกนแม่เหล็กจะยังคงกระตุ้นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับในขดลวดทุติยภูมิในเฟสเดียวกันกับแหล่งกำเนิด แรงดันไฟฟ้า. อย่างไรก็ตาม ฟลักซ์แม่เหล็กในแกนกลางจะยังคง 90° หลังมุมเฟสของแรงดันไฟฟ้าต้นทาง ซึ่งหมายความว่ากระแสของขดลวดปฐมภูมิ กระแสแม่เหล็ก ยังล่าช้าหลังแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ
สมการหม้อแปลงในการเหนี่ยวนำร่วมกัน
นอกจากสนาม ฟลักซ์ และแรงดันไฟแล้ว หม้อแปลงยังแสดงปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าของซึ่งกันและกัน ตัวเหนี่ยวนำที่ให้กำลังแก่ขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้ามากขึ้นเมื่อต่อกับไฟฟ้า จัดหา.
สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาของขดลวดปฐมภูมิต่อโหลดที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งที่สิ้นเปลืองพลังงานบนขดลวดทุติยภูมิ หากคุณเพิ่มภาระให้กับขดลวดทุติยภูมิด้วยวิธีการเช่นการเพิ่มความต้านทานของสายไฟ ขดลวดปฐมภูมิจะตอบสนองโดยการดึงกระแสไฟจากแหล่งพลังงานมาชดเชยสิ่งนี้ ลดลงความเหนี่ยวนำร่วมกันคือภาระที่คุณใส่ในทุติยภูมิที่คุณสามารถใช้เพื่อคำนวณการเพิ่มขึ้นของกระแสผ่านขดลวดปฐมภูมิ
ถ้าคุณต้องเขียนสมการแรงดันไฟฟ้าแยกกันสำหรับทั้งขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ คุณสามารถอธิบายปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำร่วมกันนี้ได้ สำหรับขดลวดปฐมภูมิ
V_P=I_PR_1+L_1\frac{\Delta I_P}{\Delta t}-M\frac{\Delta I_S}{\Delta t}
สำหรับกระแสผ่านขดลวดปฐมภูมิผมพี, ความต้านทานโหลดขดลวดปฐมภูมิR1, ตัวเหนี่ยวนำร่วมกันเอ็ม, ตัวเหนี่ยวนำขดลวดปฐมภูมิหลี่ผม, ขดลวดทุติยภูมิผมสและเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาΔt. เครื่องหมายลบหน้าตัวเหนี่ยวนำร่วมกันเอ็มแสดงว่ากระแสไฟต้นทางประสบกับแรงดันตกทันทีอันเนื่องมาจากโหลดบนขดลวดทุติยภูมิ แต่ในการตอบสนอง ขดลวดปฐมภูมิจะเพิ่มแรงดันไฟให้สูงขึ้น
สมการนี้เป็นไปตามกฎของการเขียนสมการที่อธิบายว่ากระแสและแรงดันต่างกันอย่างไรระหว่างองค์ประกอบของวงจร สำหรับวงจรไฟฟ้าแบบปิด คุณอาจเขียนผลรวมของแรงดันไฟฟ้าข้ามแต่ละส่วนประกอบเท่ากับศูนย์เพื่อแสดงว่าแรงดันตกคร่อมแต่ละองค์ประกอบในวงจร
สำหรับขดลวดปฐมภูมิ คุณเขียนสมการนี้เพื่อพิจารณาแรงดันไฟฟ้าที่ข้ามขดลวดปฐมภูมิด้วยตัวมันเอง (ผมพีR1) แรงดันที่เกิดจากกระแสเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กหลี่1ΔIพี/Δtและแรงดันไฟฟ้าอันเนื่องมาจากผลของการเหนี่ยวนำร่วมกันจากขดลวดทุติยภูมิM ΔIส/Δt.
ในทำนองเดียวกัน คุณอาจเขียนสมการที่อธิบายแรงดันตกคร่อมขดลวดทุติยภูมิเป็น
M\frac{\Delta I_P}{\Delta t}=I_SR_2+L_2\frac{\Delta I_S}{\Delta t}
สมการนี้รวมถึงกระแสขดลวดทุติยภูมิผมส, ตัวเหนี่ยวนำขดลวดทุติยภูมิหลี่2และความต้านทานโหลดของขดลวดทุติยภูมิR2. ความต้านทานและการเหนี่ยวนำจะถูกระบุด้วยตัวห้อย 1 หรือ 2 แทนที่จะเป็น P หรือ S ตามลำดับ เนื่องจากตัวต้านทานและตัวเหนี่ยวนำมักถูกระบุหมายเลข ไม่ได้แสดงโดยใช้ตัวอักษร สุดท้าย คุณสามารถคำนวณการเหนี่ยวนำร่วมกันจากตัวเหนี่ยวนำโดยตรงเช่น
M=\sqrt{L_1L_2}