Sådan beregnes transformatorens omdrejningsforhold

Indhold

• Beregning af transformer drejer forholdet
• Konstruktion af en transformer
• Typer af transformatoreffekter
• Transformatorer i praksis
• Transformator ligning i gensidig induktans

Vekselstrømmen (AC) i de fleste apparater i dit hjem kan kun komme fra strømledninger, der leder strøm (DC) ved hjælp af en transformer. Gennem alle de forskellige typer strøm, der kan strømme gennem et kredsløb, hjælper det med at have styrken til at kontrollere disse elektriske fænomener. For alle deres anvendelser til at ændre kredsløbsspænding er transformatorer meget afhængige af deres drejeforhold.

Beregning af transformer drejer forholdet

En transformator drejer forholdet er opdelingen af ​​antallet af omdrejninger i den primære vikling med antallet af omdrejninger i den sekundære vikling ved ligningen T_R = N_p/ N_s. Dette forhold skal også svare til spændingen for den primære vikling divideret med spændingen for den sekundære vikling som angivet af V_p/ V_s. Den primære vikling henviser til den drevne induktor, et kredsløbselement, der inducerer et magnetfelt som reaktion på ladningsstrømmen, for transformeren, og den sekundære er den ikke-styrede induktor.

Disse forhold gælder under den antagelse, at fasevinklen for den primære vikling svarer til sekundærets fasevinkler med ligning Φ_P = Φ_S. Denne primære og sekundære fasevinkel beskriver, hvordan strømmen, der skifter mellem frem- og bagudretninger i transformatorens primære og sekundære viklinger, synkroniseres med hinanden.

For vekselstrømskilder, som brugt med transformatorer, er den indgående bølgeform sinusformet, den form, som en sinusbølge producerer. Transformatorens drejeforhold fortæller dig, hvor meget spændingen ændrer sig gennem transformeren, når strømmen går fra de primære viklinger til de sekundære viklinger.

Bemærk også, at ordet "ratio" i denne formel henviser til a fraktion, ikke et faktisk forhold. Fraktionen på 1/4 er forskellig fra forholdet 1: 4. Mens 1/4 er en del ud af en helhed, der er opdelt i fire lige store dele, repræsenterer forholdet 1: 4, at der for en af ​​noget, der er fire af noget andet. "Forholdet" i transformatordrejeforholdet er en brøkdel, ikke et forhold, i transformerforholdets formel.

Forholdet mellem transformatorens vendinger afslører, at den brøkdifferens, som spændingen tager, er baseret på antallet af spoler, der vikles omkring de primære og sekundære dele af transformeren. En transformer med fem primære sårspiraler og 10 sekundære sårspiraler skærer en spændingskilde i halvdelen som angivet ved 5/10 eller 1/2.

Hvorvidt spænding stiger eller formindskes som et resultat af disse spoler bestemmer dets en step-up-transformer eller en step-down-transformer ved hjælp af transformerforholdets formel. En transformer, som hverken øger eller formindsker spænding, er en "impedanstransformator", der enten kan måle impedans, et kredsløb, der er modsat strøm, eller simpelthen angive brud mellem forskellige elektriske kredsløb.

Konstruktion af en transformer

Kernekomponenterne i en transformer er de to spoler, primære og sekundære, der vikles omkring en jernkerne. Den ferromagnetiske kerne, eller en kerne fremstillet af en permanent magnet, af en transformer bruger også tynde elektrisk isolerede skiver, så disse overflader kan nedsætte modstanden for strømmen, der går fra de primære spoler til de sekundære spoler af transformeren.

Konstruktionen af ​​en transformer vil generelt være designet til at miste så lidt energi som muligt. Fordi ikke al magnetisk flux fra de primære spoler passerer til den sekundære, vil der være noget tab i praksis. Transformere mister også energi på grund af hvirvelstrømme, lokaliseret elektrisk strøm forårsaget af ændringer i magnetfeltet i elektriske kredsløb.

Transformatorer får deres navn, fordi de bruger denne opsætning af en magnetiserende kerne med viklinger på to separate dele af den til at omdanne elektrisk energi til magnetisk energi gennem magnetiseringen af ​​kernen fra strømmen gennem de primære viklinger.

Derefter inducerer den magnetiske kerne en strøm i de sekundære viklinger, der konverterer den magnetiske energi tilbage til elektrisk energi. Dette betyder, at transformatorer altid kører på en indkommende vekselstrømsspændingskilde, en der skifter mellem fremadgående og bagudretende strømretninger med regelmæssige intervaller.

Typer af transformatoreffekter

Bortset fra spændingen eller antallet af spolerformel, kan du studere transformatorer for at lære mere om arten af ​​forskellige typer spændinger, elektromagnetisk induktion, magnetiske felter, magnetisk flux og andre egenskaber, der følger af konstruktionen af ​​en transformer.

I modsætning til en spændingskilde, der er strøm i en retning, en AC spændingskilde sendt gennem den primære spole skaber sit eget magnetfelt. Dette fænomen kaldes gensidig induktans.

Magnetfeltstyrken ville stige til dens maksimale værdi, hvilket er lig med forskellen i magnetisk flux divideret med et tidsrum, dΦ / dt. Husk, i dette tilfælde, Φ bruges til at indikere magnetisk flux, ikke fasevinkel. Disse magnetfeltlinjer trækkes udad fra elektromagneten. Ingeniører, der bygger transformere, tager også højde for fluxforbindelsen, som er produktet af den magnetiske flux Φ og antallet af spoler i ledningen N forårsaget af magnetfeltet, der passerer fra den ene spole til den anden.

Den generelle ligning for magnetisk flux er Φ = BAcosθ for et overfladeareal, som feltet går igennem EN i m², magnetfelt B i Teslas og θ som vinklen mellem en vinkelret vektor til området og magnetfeltet. For det enkle tilfælde af indpakket spiral omkring en magnet, gives fluxen af Φ = NBA for antal spoler N, magnetfelt B og over et bestemt område EN af en overflade, der er parallel med magneten. For en transformator får fluxforbindelsen imidlertid den magnetiske flux i den primære vikling til at svare til den for den sekundære vikling.

Ifølge Faradays Law, Du kan beregne spændingen induceret i transformatorens primære eller sekundære viklinger ved at beregne N x dΦ / dt. Dette forklarer også, hvorfor transformatorens drejningsforhold for spændingen i den ene del af transformeren til den anden er lig med antallet af spoler fra den ene til den anden.

Hvis du skulle sammenligne N x dΦ / dt af den ene del til den anden, den dΦ / dt ville annullere på grund af begge dele med den samme magnetiske flux. Endelig kan du beregne en transformer-ampere-sving som produkt fra aktuelle gange antallet af spoler som en metode til måling af magnetiseringskraften i spolen

Transformatorer i praksis

Kraftfordelinger strømmer fra kraftværker til bygninger og huse. Disse kraftledninger begynder ved kraftværket, hvor en elektrisk generator skaber elektrisk energi fra en eller anden kilde. Dette kan være en vandkraftdam, der udnytter kraften i vand eller en gasturbine, der bruger forbrænding til at skabe mekanisk energi fra naturgas og omdanner den til elektricitet. Denne elektricitet er desværre produceret som DC spænding som skal konverteres til vekselstrøm for de fleste husholdningsapparater.

Transformatorer gør denne elektricitet anvendelig ved at oprette enfaset jævnstrømforsyning til husholdninger og bygninger fra den indkommende svingende vekselstrømspænding. Transformatorerne langs strømforsyningsnet sikrer også, at spændingen er en passende mængde til huselektronik og elsystemer. Distributionsnet bruger også "busser", der adskiller distribution i flere retninger ved siden af ​​strømafbrydere for at holde separate distributioner adskilt fra hinanden.

Ingeniører gør ofte rede for effektiviteten af ​​transformere ved hjælp af den enkle ligning for effektivitet som _η = P_O/ P_jeg _Feller udgangseffekt P___O og indgangseffekt P_jeg. Baseret på konstruktionen af ​​transformatorkonstruktioner mister disse systemer ikke energi til friktion eller luftmodstand, fordi transformatorer ikke involverer bevægelige dele.

Magnetiseringsstrømmen, den mængde strøm, der er nødvendig for at magnetisere kernen i transformeren, er generelt meget lille sammenlignet med den strøm, som den primære del af en transformer inducerer. Disse faktorer betyder, at transformatorer typisk er meget effektive med en effektivitet på 95 procent og derover for de fleste moderne design.

Hvis du skulle anvende en vekselstrømsspændingskilde på den primære vikling af en transformer, fortsætter den magnetiske flux, der induceres i den magnetiske kerne, en vekselstrømspænding i den sekundære vikling i samme fase som kildespændingen. Den magnetiske flux i kernen forbliver imidlertid 90 ° bagefter fasevinklen på kildespændingen. Dette betyder, at den primære viklingsstrøm, magnetiseringsstrømmen også hænger bag vekselstrømsspændingen.

Transformator ligning i gensidig induktans

Foruden felt, flux og spænding illustrerer transformatorer de elektromagnetiske fænomener af gensidig induktans, der giver mere energi til de primære viklinger af en transformer, når de er koblet til en elektrisk forsyning.

Dette sker som den primære viklingsreaktion på en stigning i belastningen, noget der bruger strøm, på de sekundære viklinger. Hvis du tilføjede en belastning til de sekundære viklinger ved hjælp af en metode såsom at øge modstanden på dens ledninger, ville de primære viklinger reagere ved at trække mere strøm fra strømkilden for at kompensere for dette fald. Gensidig induktans er den belastning, du lægger på det sekundære, du kan bruge til at beregne stigningen i strøm gennem de primære viklinger.

Hvis du skulle skrive en separat spændingsligning for både de primære og sekundære viklinger, kunne du beskrive dette fænomen med gensidig induktans. For den primære vikling, V_P = Jeg_PR₁ + L₁AI_P/ Δt - M ΔI_S/ At, for strøm gennem den primære vikling jeg_P, primær viklingsbelastningsmodstand R₁, gensidig induktans M, primær viklingsinduktans L_jeg, sekundærvikling jeg_S og ændre sig i tiden At. Det negative tegn foran den gensidige induktans M viser, at kildestrøm straks oplever et fald i spænding på grund af belastningen på den sekundære vikling, men som svar hæver den primære vikling sin spænding.

Denne ligning følger reglerne for skrivning af ligninger, der beskriver, hvordan strøm og spænding adskiller sig mellem kredsløbselementer. For en lukket elektrisk sløjfe kan du skrive summen af ​​spændingen over hver komponent som lig med nul for at vise, hvordan spændingen falder over hvert element i kredsløbet.

For de primære viklinger skriver du denne ligning for at redegøre for spændingen over selve de primære viklinger (jeg_PR₁), spændingen på grund af magnetfeltets inducerede strøm L₁AI_P/ At og spændingen på grund af virkningen af ​​gensidig induktans fra de sekundære viklinger M ΔI_S/ At.

Tilsvarende kan du skrive en ligning, der beskriver spændingsfaldene over de sekundære viklinger som M ΔI___P/ Δt = I_SR₂ + L₂AI_S/ At. Denne ligning inkluderer den sekundære viklingsstrøm jeg_S, sekundær viklingsinduktans L₂ og den sekundære viklingsbelastningsmodstand R₂. Modstanden og induktansen er mærket med et underskrift 1 eller 2 i stedet for henholdsvis P eller S, da modstande og induktorer ofte er nummereret, ikke betegnet ved hjælp af bogstaver. Endelig kan du beregne gensidig induktans fra induktorerne direkte som M = √L1L2.