Hur Transformers fungerar

Enligt definitionen i Wikipedia en elektrisk transformator är en stationär utrustning som utbyter elektrisk kraft över ett par tätt lindade spolar genom magnetisk induktion.

En ständigt förändrad ström i en lindning av transformatorn genererar ett varierande magnetiskt flöde, vilket följaktligen inducerar en varierande elektromotorisk kraft över en andra spole byggd över samma kärna.

Grundläggande arbetsprincip

Transformatorer fungerar i princip genom att överföra elkraft mellan ett par spolar genom ömsesidig induktion, utan att bero på någon form av direktkontakt mellan de två lindningarna.

Denna process av överföring av elektricitet genom induktion bevisades först av Faradays induktionslag, år 1831. Enligt denna lag skapas den inducerade spänningen över två spolar på grund av ett varierande magnetiskt flöde som omger spolen.

Den grundläggande funktionen för en transformator är att trappa upp eller ned en växelspänning / ström, i olika proportioner enligt applikationens krav. Proportionerna bestäms av antalet varv och lindningsförhållande.

Analysera en ideal transformator

Vi kan föreställa oss att en idealisk transformator är en hypotetisk design som kan vara praktiskt taget utan någon form av förluster. Dessutom kan denna ideala design ha sin primära och sekundära lindning perfekt kopplade till varandra.

Det betyder att den magnetiska bindningen mellan de två lindningarna sker genom en kärna vars magnetiska permeabilitet är oändlig och med lindningsinduktanser med en total magnetmotorisk kraft.

Vi vet att i en transformator försöker den applicerade växelströmmen i primärlindningen att tvinga fram ett varierande magnetiskt flöde i transformatorns kärna, som också inkluderar sekundärlindningen inringad runt den.

På grund av detta varierande flöde induceras en elektromotorisk kraft (EMF) på sekundärlindningen genom elektromagnetisk induktion. Detta resulterar i generering av flöde på sekundärlindningen med en storlek som är motsatt men lika med den primära lindningsflödet, enligt Lenz'z lag .

Eftersom kärnan har en oändlig magnetisk permeabilitet kan hela (100%) magnetflödet överföras över de två lindningarna.

Detta innebär att, när primären utsätts för en växelströmskälla och en belastning är ansluten till de sekundära lindningsterminalerna, strömmar ström genom respektive lindning i riktningar som indikeras i följande diagram. I detta tillstånd neutraliseras kärnmagnetkraften till noll.

Bild med tillstånd: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

Eftersom överföringen av flöde över primär- och sekundärlindningen är 100%, enligt Faradays lag, kommer den inducerade spänningen på var och en av lindningarna att vara perfekt proportionell mot antalet varv hos lindningen, som visas i följande figur:

Testa video som verifierar det linjära förhållandet mellan primär / sekundär svängningsgrad.

TURN OCH SPÄNNINGSFÖRHÅLLANDEN

Låt oss försöka förstå vändningsberäkningarna i detalj:

Nettostorleken av spänningen som induceras från primär till sekundärlindning bestäms helt enkelt av förhållandet mellan antalet varv lindade över primär- och sekundärsektioner.

Denna regel gäller dock bara om transformatorn är nära en ideal transformator.

En idealisk transformator är den transformator som har försumbara förluster i form av hudeffekt eller virvelström.

Låt oss ta exemplet på figur 1 nedan (för en ideal transformator).

Antag att den primära lindningen består av cirka 10 varv, medan den sekundära med bara en varvslindning. På grund av elektromagnetisk induktion, flödeslinjer som genereras över primärlindningen som svar på ingången AC växlar växelvis och kollapsar, skär genom de 10 varv av primärlindningen. Detta resulterar i en exakt proportionell mängd spänning inducerad över sekundärlindningen beroende på svängningsförhållandet.

Lindningen som levereras med växelströmsingång blir den primära lindningen, medan den kompletterande lindningen som producerar utmatningen genom magnetisk induktion från den primära blir sekundärlindningen.

Figur 1)

Eftersom sekundären endast har en enda varv upplever den ett proportionellt magnetiskt flöde över sin enda varv i förhållande till de 10 varv av primären.

Eftersom spänningen som appliceras över primären är 12 V, så kommer var och en av dess lindningar att utsättas för en räknare-EMF på 12/10 = 1,2 V, och detta är exakt storleken på spänningen som skulle påverka den enda varv som finns över sekundäravsnittet. Detta beror på att den har en enda lindning som kan extrahera endast samma ekvivalenta mängd induktion som kan finnas tillgänglig över en enda varv över den primära.

Således skulle sekundärsystemet med en enda varv kunna extrahera 1,2V från primären.

Ovanstående förklaring indikerar att antalet varv över en transformator primär motsvarar linjärt med matningsspänningen över den och spänningen helt enkelt delas med antalet varv.

Eftersom spänningen är 12V och antalet varv är 10 i ovanstående fall, skulle näträknaren EMF inducerad över var och en av varven vara 12/10 = 1,2V

Exempel 2

Låt oss nu visualisera figur 2 nedan, den visar en liknande typ av konfiguration som i figur 1. förvänta dig sekundär som nu har ytterligare 1 varv, det vill säga 2 antal varv.

Det behöver inte sägas att nu skulle sekundären gå igenom dubbelt så många flödeslinjer jämfört med figur 1-tillståndet som bara hade en enda sväng.

Så här skulle sekundärlindningen läsa runt 12/10 x 2 = 2,4V eftersom de två varv skulle påverkas av en styrka av mot EMF som kan vara ekvivalent över de två lindningarna på trafoens primära sida.

Därför kan vi från ovanstående diskussion i allmänhet dra slutsatsen att i en transformator är förhållandet mellan spänningen och antalet varv över det primära och det sekundära ganska linjärt och proportionellt.

Transformator Turn Numbers

Således kan den härledda formeln för beräkning av antalet varv för vilken transformator som helst uttryckas som:

Es / Ep = Ns / Np

var,

• Es = Sekundär spänning ,
• Ep = Primär spänning,
• Ns = Antal sekundära varv,
• Np = Antal primära varv.

Primärt sekundärt svängförhållande

Det skulle vara intressant att notera att ovanstående formel indikerar en rak relation mellan förhållandet mellan sekundär och primärspänning och sekundärt till primärt antal varv, som indikeras vara proportionella och lika.

Därför kan ovanstående ekvation också uttryckas som:

Ep x Ns = Es x Np

Vidare kan vi härleda formeln ovan för att lösa Es och Ep som visas nedan:

Es = (Ep x Ns) / Np

liknande,

Ep = (Es x Np) / Ns

Ovanstående ekvation visar att om det finns 3 magnituder tillgängliga, kan den fjärde magnituden lätt bestämmas genom att lösa formeln.

Lösa praktiska problem med transformatorlindning

Fall i punkt 1: En transformator har 200 varv i primärsektionen, 50 varv i sekundär och 120 volt anslutna över primär (Ep). Vad kan vara spänningen över sekundär (E s)?

Given:

• Np = 200 varv
• Ns = 50 varv
• Ep = 120 volt
• Är =? volt

Svar:

Es = EpNs / Np

Ersätter:

Es = (120V x 50 varv) / 200 varv

Es = 30 volt

Fall i punkt 2 : Antag att vi har 400 trådvarv i en järnkärnspole.

Om man antar att spolen måste användas som en primärlindning av en transformator, Beräkna antalet varv som behöver lindas på spolen för att erhålla transformatorns sekundärlindning för att säkerställa en sekundär spänning på en volt med en situation där den primära spänningen är 5 volt?

Given:

• Np = 400 varv
• Ep = 5 volt
• Es = 1 volt
• Ns =? vänder

Svar:

EpNs = EsNp

Transponering för Ns:

Ns = EsNp / Ep

Ersätter:

Ns = (1V x 400 varv) / 5 volt

Ns = 80 varv

Kom ihåg: Förhållandet mellan spänningen (5: 1) är ekvivalent med lindningsförhållandet (400: 80). Ibland, som en ersättning för vissa värden, befinner du dig tilldelad ett sväng- eller spänningsförhållande.

I sådana fall kan du helt enkelt anta vilket godtyckligt tal som helst för en av spänningarna (eller lindningen) och räkna ut det andra alternativa värdet från förhållandet.

Som en illustration, antar att ett lindningsförhållande tilldelas 6: 1, kan du föreställa dig en varvmängd för primärsektionen och räkna ut motsvarande sekundära varvtal med liknande proportioner som 60:10, 36: 6, 30: 5, etc.

Transformatorn i alla ovanstående exempel bär ett mindre antal varv i sekundärsektionen jämfört med primärsektionen. Av den anledningen kan du hitta en mindre mängd spänning över trafo sekundär snarare än över primärsidan.

Vad är Step-up och Step-Down Transformers

En transformator med den sekundära sidans spänningsvärde som är lägre än den primära sidans spänningsbetyg kallas a STEP-DOWN transformator .

Eller alternativt, om AC-ingången appliceras på lindningen som har högre varvtal, fungerar transformatorn som en nedtransformator.

Förhållandet mellan en fyra-till-en nedtransformator är inskriven som 4: 1. En transformator som inkluderar mindre varv på primärsidan jämfört med sekundärsidan kommer att generera en högre spänning över sekundärsidan jämfört med den spänning som är ansluten över primärsidan.

En transformator som har en sekundär sida klassad över spänningen över primärsidan kallas en STEP-UP-transformator. Eller, alternativt, om växelströmsingången appliceras på en lindning som har lägre antal varv så fungerar transformatorn som en steg-upp-transformator.

Förhållandet mellan en steg-upp-transformator och en till fyra måste skrivas in som 1: 4. Som du kan se i de två förhållandena nämns storleken på den primära sidlindningen konsekvent i början.

Kan vi använda en step-down transformator som en step-up transformator och vice versa?

Ja definitivt! Alla transformatorer arbetar med samma grundläggande princip som beskrivs ovan. Att använda en upptransformator som en nedtransformator betyder helt enkelt att byta ingångsspänningar över deras primära / sekundära lindning.

Om du till exempel har en vanlig strömförsörjningstransformator som ger dig en 12-0-12V utgång från en 220V ingångs växelström, kan du använda samma transformator som en steg upp transformator för att producera 220V utgång från en 12V AC inmatning.

Ett klassiskt exempel är en växelriktarkrets , där transformatorerna inte har något speciellt i sig. De arbetar alla med de vanliga nedstegstransformatorerna som är anslutna på motsatt sätt.

Effekt av belastning

Varje gång en last eller en elektrisk anordning är ansluten över en sekundärlindning av en transformator, går ström eller förstärkare över sekundärsidan av lindningen tillsammans med lasten.

Det magnetiska flödet som genereras av strömmen i sekundärlindningen samverkar med de magnetiska flödeslinjer som genereras av förstärkarna på den primära sidan. Denna konflikt mellan de två flödeslinjerna genereras som ett resultat av den delade induktansen mellan primär- och sekundärlindningen.

Ömsesidigt flöde

Det absoluta flödet i transformatorns kärnmaterial är vanligt för både de primära och sekundära lindningarna. Det är dessutom ett sätt genom vilket elektrisk kraft kan migrera från primärlindningen till sekundärlindningen.

På grund av det faktum att detta flöde förenar båda lindningarna, fenomenet allmänt känt som MUTUAL FLUX. Induktansen som genererar detta flöde är också vanlig för båda lindningarna och kallas ömsesidig induktans.

Figur (2) nedan visar flödet som skapas av strömmarna i en transformators primära och sekundära lindning varje gång matningsström slås PÅ i primärlindningen.

Figur 2)

Närhelst lastmotståndet är anslutet till sekundärlindningen, utlöser spänningen som stimuleras till sekundärlindningen ström att cirkulera i sekundärlindningen.

Denna ström producerar en flödesringar runt sekundärlindningen (indikerade som prickade linjer) som kan vara som ett alternativ till flödesfältet runt den primära (Lenzs lag).

Följaktligen upphäver flödet runt sekundärlindningen det mesta av flödet runt primärlindningen.

Med en mindre mängd flöde som omger den primära lindningen, skärs den omvända emgen ned och mer amp sugs från matningen. Tilläggsströmmen i primärlindningen frigör ytterligare flödeslinjer, vilket i stort sett återställer den initiala mängden absoluta flödeslinjer.

TURN OCH AKTUELLA NÅGOR

Mängden flödeslinjer som produceras i en trafo-kärna är proportionell mot magnetiseringskraften

(I AMPERE-TURNS) av de primära och sekundära lindningarna.

Ampere-turn (I x N) är en indikation på magneto-drivkraft, det kan förstås vara den magnetmotoriska kraften som produceras av en ampere med ström som går i en spole på 1 varv.

Flödet som finns i kärnan i en transformator omger de primära och sekundära lindningarna.

Med tanke på att flödet är identiskt för varje lindning, bör ampere-svängarna i varje, primär och sekundär lindning alltid vara desamma.

Av den anledningen:

IpNp = IsNs

Var:

IpNp = ampere / varv i primärlindningen
IsNs - ampere / varv i sekundärlindningen

Genom att dela båda sidor av uttrycket med
Ip , vi får:
Np / Ns = Is / Ip

eftersom: Es / Ep = Ns / Np

Sedan: Ep / Es = Np / Ns

Också: Ep / Es = Is / Ip

var

• Ep = spänning applicerad över primär i volt
• Es = spänning över sekundärströmmen i volt
• Ip = ström i primär i Amp
• Är = ström i sekundären i ampere

Observera att ekvationerna indikerar att ampereförhållandet är det inversa av lindningen eller svängningsförhållandet samt spänningsförhållandet.

Detta innebär att en transformator som har färre antal varv på sekundärsidan jämfört med den primära kan öka spänningen, men den skulle öka strömmen. Till exempel:

En transformator antar att det har ett spänningsförhållande på 6: 1.

Försök hitta strömmen eller förstärkarna i sekundärsidan om strömmen eller förstärkaren på primärsidan är 200 milliamper.

Anta

Ep = 6V (som ett exempel)
Är = 1V
Ip = 200mA eller 0.2Amps
Är =?

Svar:

Ep / Es = Is / Ip

Transponering för Is:

Är = EpIp / Es

Ersätter:

Är = (6V x 0,2A) / 1V
Är = 1,2A

Ovanstående scenario behandlar att trots att spänningen över sekundärlindningen är en sjätte av spänningen över primärlindningen, är förstärkarna i sekundärlindningen 6 gånger förstärkarna i primärlindningen.

Ovanstående ekvationer kan mycket väl ses från ett alternativt perspektiv.

Lindningsförhållandet betyder summan genom vilken transformatorn förstärker eller förstärker eller minskar spänningen som är ansluten till primärsidan.

För att illustrera, antag att om sekundärlindningen hos en transformator har dubbelt så många varv som den primära lindningen, kommer spänningen som stimuleras till sekundärsidan troligen att vara dubbelt så stor som spänningen över primärlindningen.

Om sekundärlindningen bär hälften av antalet varv primärsidan kommer spänningen över sekundärsidan att vara hälften av spänningen över primärlindningen.

Med detta sagt innefattar lindningsförhållandet tillsammans med förstärkarförhållandet för en transformator en invers associering.

Som ett resultat kan en 1: 2 uppstegstransformator ha hälften av förstärkaren på sekundärsidan jämfört med den primära sidan. En 2: 1 nedstegstransformator kan ha två gånger förstärkaren i sekundärlindningen i förhållande till den primära sidan.

Illustration: En transformator med ett lindningsförhållande på 1:12 har 3 ampere ström på sekundärsidan. Ta reda på förstärkarnas storlek i primärlindningen?

Given:

Np = 1 varv (till exempel)
Ns = 12 varv
Är = 3Amp
Lp =?

Svar:

Np / Ns = Is / Ip

Ersätter:

Ip = (12 varv x 3 Amp) / 1 varv

Ip = 36A

Beräkning av ömsesidig induktans

Ömsesidig induktion är en process där en lindning går igenom en EMF-induktion på grund av förändringshastigheten för den intilliggande lindningen som leder till en induktiv koppling mellan lindningen.

Med andra ord Ömsesidig induktans är förhållandet mellan den inducerade emken över en lindning och hastigheten för strömförändring på den andra lindningen, såsom uttryckt i följande formel:

M = emf / di (t) / dt

Infasning av transformatorer:

Normalt, när vi undersöker transformatorer, tror de flesta av oss att den primära och sekundära lindningsspänningen och strömmarna är i fas med varandra. Men detta kanske inte alltid är sant. I transformatorer är förhållandet mellan spänningen, strömfasvinkeln över primär och sekundär beroende av hur dessa lindningar vrids runt kärnan. Det beror på om de båda är i motsols riktning, eller medurs eller kan vara en lindning vrids medurs medan den andra lindar moturs.

Låt oss hänvisa till följande diagram för att förstå hur lindningsorienteringen påverkar fasvinkeln:

I exemplet ovan ser lindningsriktningarna identiska ut, det vill säga både primär och sekundärlindning vrids medurs. På grund av denna identiska orientering är fasvinkeln för utgångsströmmen och spänningen identisk med fasvinkeln för ingångsströmmen och spänningen.

I det andra exemplet ovan kan transformatorlindningsriktningen ses lindad med motsatt orientering. Som framgår verkar det primära vara medurs medan sekundärsystemet lindas moturs. På grund av denna motsatta lindningsorientering är fasvinkeln mellan de två lindningarna 180 grader från varandra och den inducerade sekundära utgången visar en fasström och spänningssvar.

Dot Notation och Dot Convention

För att undvika förvirring används punktnotering eller punktkonvention för att representera en transformatorlindningsriktning. Detta gör det möjligt för användaren att förstå ingångs- och utgångsfasvinkelspecifikationerna, oavsett om primär och sekundär lindning är i fas eller ur fas.

Punktkonventionen implementeras av punktmarkeringar över lindningens startpunkt, vilket indikerar om lindningen är i fas eller ur fas med varandra.

Följande transformatorschema har en punktkonventionbeteckning och det betyder att transformatorns primära och sekundära är i fas med varandra.

Punktnotationen som används i illustrationen nedan visar punkterna placerade över motsatta punkter för primär- och sekundärlindningen. Detta indikerar att lindningsriktningen på de två sidorna inte är densamma och därför kommer fasvinkeln över de två lindningarna att vara 180 grader ur fas när en växelströmsingång appliceras på en av lindningarna.

Förluster i en riktig transformator

Beräkningarna och formlerna i ovanstående stycken baserades på en idealisk transformator. Men i verkliga världen och för en riktig transformator kan scenariot vara mycket annorlunda.

Du kommer att upptäcka att i en idealisk design kommer följande grundläggande linjära faktorer för verkliga transformatorer att ignoreras:

(a) Många typer av kärnförluster, tillsammans kallade magnetiserande strömförluster, som kan inkludera följande typer av förluster:

• Hysteresförluster: detta orsakas av icke-linjära influenser av magnetflödet på transformatorns kärna.
• Virvelströmsförluster: Denna förlust genereras på grund av fenomenet som kallas jouleuppvärmning i transformatorns kärna. Den är proportionell mot kvadratet för spänningen som appliceras på transformatorns primär.

(b) Till skillnad från den ideala transformatorn kan lindningens motstånd i en riktig transformator aldrig ha nollmotstånd. Det betyder att lindningen så småningom kommer att ha vissa motstånd och induktanser associerade med dem.

• Joule-förluster: Som förklarats ovan ger motståndet som genereras över lindningsterminalerna Joule-förluster.
• Läckageflöde: Vi vet att transformatorer är starkt beroende av magnetisk induktion över deras lindning. Eftersom lindningen är byggd på en gemensam enda kärna visar magnetflödet en tendens att läcka över lindningen via kärnan. Detta ger upphov till en impedans som kallas primär / sekundär reaktiv impedans, vilket bidrar till transformatorns förluster.

(c) Eftersom en transformator också är en typ av induktor påverkas den också av fenomen som parasitisk kapacitans och självresonans på grund av den elektriska fältfördelningen. Dessa parasitära kapacitanser kan vanligtvis ha tre olika former enligt nedan:

• Kapacitans som genereras mellan varv över varandra inuti ett enda lager
• Kapacitans genererad över två eller flera angränsande lager
• Kapacitans skapad mellan transformatorns kärna och det eller de lindande skikten som ligger intill kärnan

Slutsats

Från ovanstående diskussion kan vi förstå att i praktiska tillämpningar att beräkna en transformator, särskilt en järnkärntransformator, kanske inte är så enkel som en ideal transformator skulle vara.

För att få de mest exakta resultaten för lindningsdata kan vi behöva överväga många faktorer som: flödestäthet, kärnarea, kärnstorlek, tungbredd, fönsterarea, kärnmaterialstyp etc.

Du kan lära dig mer om alla dessa beräkningar under detta inlägg: