Hoe Transformer Berekent Veranderingen

Inhoud

• Berekening transformator verandert ratio
• De constructie van een transformator
• Soorten transformatoreffecten
• Transformatoren in de praktijk
• Transformatorvergelijking in wederzijdse inductie

De wisselstroom (AC) in de meeste apparaten in uw huis kan alleen afkomstig zijn van hoogspanningsleidingen die gelijkstroom (DC) gebruiken via een transformator. Door alle verschillende soorten stroom die door een circuit kunnen stromen, helpt het om deze elektrische fenomenen te beheersen. Voor al hun toepassingen bij het veranderen van de spanning van circuits, zijn transformatoren sterk afhankelijk van hun beurtenverhouding.

Berekening transformator verandert ratio

Een transformator verandert de verhouding is de verdeling van het aantal windingen in de primaire wikkeling door het aantal windingen in de secundaire wikkeling door de vergelijking T_R = N_p/ N_s. Deze verhouding moet ook gelijk zijn aan de spanning van de primaire wikkeling gedeeld door de spanning van de secundaire wikkeling, zoals gegeven door V_p/ V_s. De primaire wikkeling verwijst naar de aangedreven inductor, een circuitelement dat een magnetisch veld induceert in reactie op de ladingstroom, van de transformator, en de secundaire is de niet-aangedreven inductor.

Deze verhoudingen gelden in de veronderstelling dat de fasehoek van de primaire wikkeling gelijk is aan de fasehoeken van de secundaire door de vergelijking Φ_P = Φ_S. Deze primaire en secundaire fasehoek beschrijft hoe de stroom, die wisselt tussen voorwaartse en achterwaartse richtingen in de primaire en secundaire wikkelingen van de transformator, synchroon met elkaar zijn.

Voor AC-spanningsbronnen, zoals gebruikt met transformatoren, is de binnenkomende golfvorm sinusvormig, de vorm die een sinusgolf produceert. De transformator-draaisnelheid vertelt u hoeveel de spanning door de transformator verandert terwijl stroom van de primaire wikkelingen naar de secundaire wikkelingen gaat.

Merk ook op dat het woord "ratio" in deze formule verwijst naar a fractie, geen werkelijke verhouding. De fractie van 1/4 verschilt van de verhouding 1: 4. Terwijl 1/4 een deel van een geheel is dat in vier gelijke delen is verdeeld, geeft de verhouding 1: 4 aan dat er voor een van iets vier van iets anders zijn. De "verhouding" in de transformatorwindingenverhouding is een fractie, geen verhouding, in de formule van de transformatorverhouding.

De transformator-draaisnelheid onthult dat het fractionele verschil dat de spanning neemt op basis van het aantal spoelen dat rond de primaire en secundaire delen van de transformator is gewikkeld. Een transformator met vijf primaire wikkelspoelen en 10 secundaire wikkelspoelen snijdt een spanningsbron in de helft zoals gegeven door 5/10 of 1/2.

Of de spanning toeneemt of afneemt als gevolg van deze spoelen, bepaalt of het een step-up-transformator of een step-down-transformator is volgens de formule van de transformatorverhouding. Een transformator die de spanning niet verhoogt of verlaagt, is een 'impedantietransformator' die de impedantie kan meten, een circuit dat tegengesteld is aan stroom, of eenvoudigweg onderbrekingen aangeeft tussen verschillende elektrische circuits.

De constructie van een transformator

De kerncomponenten van een transformator zijn de twee spoelen, primaire en secundaire, die zich om een ​​ijzeren kern wikkelen. De ferromagnetische kern, of een kern gemaakt van een permanente magneet, van een transformator gebruikt ook dunne elektrisch geïsoleerde plakjes zodat deze oppervlakken weerstand kunnen verminderen voor de stroom die van de primaire spoelen naar de secundaire spoelen van de transformator gaat.

De constructie van een transformator zal in het algemeen worden ontworpen om zo weinig mogelijk energie te verliezen. Omdat niet alle magnetische flux van de primaire spoelen naar de secundaire gaat, zal er in de praktijk enig verlies zijn. Transformatoren verliezen ook energie door wervelstromen, gelokaliseerde elektrische stroom veroorzaakt door veranderingen in het magnetische veld in elektrische circuits.

Transformatoren krijgen hun naam omdat ze deze opstelling gebruiken van een magnetiserende kern met wikkelingen op twee afzonderlijke delen ervan om elektrische energie om te zetten in magnetische energie door het magnetiseren van de kern van de stroom door de primaire wikkelingen.

Vervolgens induceert de magnetische kern een stroom in de secundaire wikkelingen, die de magnetische energie weer omzet in elektrische energie. Dit betekent dat transformatoren altijd op een binnenkomende wisselspanningsbron werken, een die met regelmatige tussenpozen tussen voorwaartse en achterwaartse stroomrichtingen schakelt.

Soorten transformatoreffecten

Afgezien van de spanning of het aantal spoelenformule, kunt u transformatoren bestuderen om meer te weten te komen over de aard van verschillende soorten spanningen, elektromagnetische inductie, magnetische velden, magnetische flux en andere eigenschappen die het gevolg zijn van de constructie van een transformator.

In tegenstelling tot een spanningsbron die stroom in één richting, een AC-spanningsbron gestuurd door de primaire spoel zal zijn eigen magnetisch veld creëren. Dit fenomeen staat bekend als wederzijdse inductie.

De sterkte van het magnetische veld zou toenemen tot zijn maximale waarde, die gelijk is aan het verschil in magnetische flux gedeeld door een tijdsperiode, dΦ / dt. Houd in dit geval rekening met Φ wordt gebruikt om magnetische flux aan te geven, niet fasehoek. Deze magnetische veldlijnen worden naar buiten getrokken van de elektromagneet. Ingenieurs die transformatoren bouwen, houden ook rekening met de fluxkoppeling, die het product is van de magnetische flux Φ en het aantal spoelen in de draad N veroorzaakt door het magnetische veld dat van de ene spoel naar de andere gaat.

De algemene vergelijking voor magnetische flux is Φ = BAcosθ voor een oppervlakte waar het veld doorheen gaat EEN in M², magnetisch veld B in Teslas en θ als de hoek tussen een loodrechte vector op het gebied en het magnetische veld. Voor het eenvoudige geval van gewikkelde spoelen rond een magneet, wordt de flux gegeven door Φ = NBA voor aantal spoelen N, magnetisch veld B en over een bepaald gebied EEN van een oppervlak dat evenwijdig is aan de magneet. Voor een transformator zorgt de fluxkoppeling ervoor dat de magnetische flux in de primaire wikkeling gelijk is aan die van de secundaire wikkeling.

Volgens Faradays wet, u kunt de spanning berekenen die wordt geïnduceerd in de primaire of secundaire wikkelingen van de transformator door te berekenen N x dΦ / dt. Dit verklaart ook waarom de transformator de verhouding van de spanning van het ene deel van de transformator naar het andere gelijk is aan het aantal spoelen van het ene naar het andere.

Als je het zou vergelijken N x dΦ / dt van het ene deel tot het andere, de dΦ / dt zou uitvallen omdat beide delen dezelfde magnetische flux hebben. Ten slotte kun je een transformator ampère-bochten berekenen als het product van stroom maal het aantal spoelen als een methode om de magnetiserende kracht van de spoel te meten

Transformatoren in de praktijk

Stroomverdelingen leveren elektriciteit van energiecentrales naar gebouwen en huizen. Deze elektriciteitsleidingen beginnen bij de energiecentrale waar een elektrische generator elektrische energie opwekt uit een of andere bron. Dit kan een hydro-elektrische dam zijn die de kracht van water gebruikt of een gasturbine die verbranding gebruikt om mechanische energie uit aardgas te maken en om te zetten in elektriciteit. Deze elektriciteit wordt helaas geproduceerd als Gelijkstroomspanning die moet worden omgezet in wisselspanning voor de meeste huishoudelijke apparaten.

Transformatoren maken deze elektriciteit bruikbaar door eenfasige DC-voedingen voor huishoudens en gebouwen te maken van de inkomende oscillerende wisselspanning. De transformatoren langs stroomverdeelnetten zorgen er ook voor dat de spanning een geschikte hoeveelheid is voor huiselektronica en elektriciteitssystemen. Verdelingsroosters gebruiken ook "bussen" die verdeling in meerdere richtingen naast stroomonderbrekers scheiden om afzonderlijke verdelingen van elkaar gescheiden te houden.

Ingenieurs houden vaak rekening met de efficiëntie van transformatoren met behulp van de eenvoudige vergelijking voor efficiëntie als _η = P_O/ P_ik _Fof uitgangsvermogen P___O en ingangsvermogen P_ik. Gebaseerd op de constructie van transformatorontwerpen, verliezen deze systemen geen energie aan wrijving of luchtweerstand omdat transformatoren geen bewegende delen omvatten.

De magnetiserende stroom, de hoeveelheid stroom die nodig is om de kern van de transformator te magnetiseren, is in het algemeen erg klein in vergelijking met de stroom die het primaire deel van een transformator induceert. Deze factoren betekenen dat transformatoren meestal zeer efficiënt zijn met een efficiëntie van 95 procent en hoger voor de meeste moderne ontwerpen.

Als u een wisselspanningsbron zou toepassen op de primaire wikkeling van een transformator, zal de magnetische flux die in de magnetische kern wordt geïnduceerd, in dezelfde fase als de bronspanning een wisselspanning blijven induceren in de secundaire wikkeling. De magnetische flux in de kern blijft echter 90 ° achter de fasehoek van de bronspanning. Dit betekent dat de primaire wikkelingsstroom, de magnetiserende stroom, ook achterblijft bij de AC-spanningsbron.

Transformatorvergelijking in wederzijdse inductie

Naast veld, flux en spanning illustreren transformatoren de elektromagnetische verschijnselen van wederzijdse inductie die meer vermogen geeft aan de primaire wikkelingen van een transformator wanneer deze is aangesloten op een elektrische voeding.

Dit gebeurt als de primaire wikkelingen reageren op een toename van de belasting, iets dat stroom verbruikt, op de secundaire wikkelingen. Als u een belasting op de secundaire wikkelingen toevoegt via een methode zoals het verhogen van de weerstand van de draden, zouden de primaire wikkelingen reageren door meer stroom uit de stroombron te halen om deze afname te compenseren. Wederzijdse inductie is de belasting die u op de secundaire legt, waarmee u de toename in stroom door de primaire wikkelingen kunt berekenen.

Als u een afzonderlijke spanningsvergelijking voor zowel de primaire als secundaire wikkelingen zou schrijven, zou u deze fenomenen van wederzijdse inductie kunnen beschrijven. Voor de primaire wikkeling V_P = Ik_PR₁ + L₁AI_P/ Δt - M ΔI_S/ At, voor stroom door de primaire wikkeling ik_P, primaire wikkelweerstand R₁, wederzijdse inductie M, primaire wikkelingsinductantie L_ik, secundaire wikkeling ik_S en verandering in de tijd At. Het negatieve teken voor de wederzijdse inductantie M laat zien dat de bronstroom onmiddellijk een spanningsval ervaart als gevolg van de belasting op de secundaire wikkeling, maar als reactie verhoogt de primaire wikkeling zijn spanning.

Deze vergelijking volgt de regels voor het schrijven van vergelijkingen die beschrijven hoe stroom en spanning tussen circuitelementen verschillen. Voor een gesloten elektrische lus kunt u de som van de spanning over elke component schrijven als gelijk aan nul om aan te geven hoe de spanning over elk element in het circuit daalt.

Voor de primaire wikkelingen schrijft u deze vergelijking om rekening te houden met de spanning over de primaire wikkelingen zelf (ik_PR₁), de spanning als gevolg van de geïnduceerde stroom van het magnetische veld L₁AI_P/ At en de spanning als gevolg van het effect van wederzijdse inductie van de secundaire wikkelingen M ΔI_S/ At.

Op dezelfde manier kunt u een vergelijking schrijven die de spanningsval over de secundaire wikkelingen beschrijft als M ΔI___P/ Δt = I_SR₂ + L₂AI_S/ At. Deze vergelijking omvat de secundaire wikkelingsstroom ik_S, secundaire wikkelingsinductantie L₂ en de weerstand van de secundaire wikkelingsbelasting R₂. De weerstand en inductie zijn gelabeld met een subscript 1 of 2 in plaats van P of S, respectievelijk, omdat weerstanden en inductoren vaak genummerd zijn, niet aangegeven met letters. Ten slotte kunt u de wederzijdse inductie van de inductoren rechtstreeks als berekenen M = √L1L2.