Basisprincipes van transformator

Transformatoren zijn over het algemeen apparaten die hoeveelheden van de ene waarde naar de andere kunnen omzetten. Voor dit artikel zullen we ons concentreren op de spanningstransformator, een statische elektrische component die wisselspanning van de ene waarde naar de andere kan omzetten zonder de frequentie te veranderen volgens de principes van elektromagnetische inductie.

In een van onze vorige artikelen over de wisselstroom hebben we vermeld hoe belangrijk de transformator was in de geschiedenis van de wisselstroom. Het was de belangrijkste enabler die de wisselstroom mogelijk maakte. Aanvankelijk konden DC-gebaseerde systemen niet over lange afstanden worden overgedragen vanwege vermogensverlies in de lijnen naarmate de afstand (lengte) toeneemt, wat betekent dat DC-centrales overal moesten worden geplaatst, dus het belangrijkste doel van AC was om het transmissieprobleem op te lossen en zonder de transformator zou dat niet mogelijk zijn geweest, omdat de verliezen zelfs met wisselstroom nog steeds zouden bestaan.

Met de transformator op zijn plaats, kan AC worden verzonden vanaf de generatiestations met een zeer hoge spanning maar met een lage stroom, waardoor de verliezen in de lijn (draden) worden geëlimineerd vanwege de waarde van I ² R (die het vermogensverlies in een lijn geeft). De transformator wordt vervolgens gebruikt om de hoge spanning, lage stroom energie om te zetten in lage spanning, hoge stroom energie voor de uiteindelijke distributie binnen een gemeenschap zonder de frequentie te veranderen en met hetzelfde vermogen dat werd uitgezonden door de generator (P = IV).

Om de spanningstransformator beter te begrijpen, is het het beste om het meest vereenvoudigde model te gebruiken, namelijk de enkelfasige transformator.

Eenfasige transformator

De enkelfasige transformator is de meest voorkomende (qua aantal in gebruik) soort spanningstransformatoren. Het is aanwezig in de meeste "aangesloten" apparaten die we thuis en overal gebruiken.

Het wordt gebruikt om het werkingsprincipe, de constructie enz. Van een transformator te beschrijven, omdat andere transformatoren een variatie of aanpassing zijn van de enkelfasige transformator. Sommige mensen verwijzen bijvoorbeeld naar de driefasige transformator als bestaande uit 3 enkelfasige transformatoren.

Eenfasige transformator bestaat uit twee spoelen / wikkeling (de primaire en de secundaire spoel). Deze twee wikkelingen zijn zo gerangschikt dat er geen elektrische verbinding tussen hen bestaat, dus ze zijn gewikkeld rond een gemeenschappelijk magnetisch ijzer dat algemeen wordt aangeduid als de kern van de transformator, dus de twee spoelen hebben alleen een magnetische verbinding tussen hen. Dit zorgt ervoor dat vermogen alleen via elektromagnetische inductie wordt overgedragen en maakt de transformatoren ook nuttig voor het isoleren van verbindingen.

Operationeel principe van transformator:

Zoals eerder vermeld, bestaat de transformator uit twee spoelen; de primaire en secundaire spoelen. De primaire spoel vertegenwoordigt altijd de invoer naar de transformator, terwijl de secundaire spoel de uitvoer van de transformator vertegenwoordigt.

Twee hoofdeffecten bepalen de werking van de transformator:

De eerste is dat een stroom die door een draad stroomt een magnetisch veld rond de draad opwekt. De grootte van het resulterende magnetische veld is altijd recht evenredig met de hoeveelheid stroom die door de draad gaat. De grootte van het magnetische veld wordt groter als de draad in een spoelachtige vorm wordt gewikkeld. Dit is het principe waarmee magnetisme wordt opgewekt door de primaire spoel. Door een spanning op de primaire spoel aan te brengen, wekt deze een magnetisch veld op rond de kern van de transformator.

Het tweede effect dat in combinatie met het eerste het werkingsprincipe van de transformator verklaart dat is gebaseerd op het feit dat, als een geleider om een ​​stuk magneet wordt gewikkeld en het magnetisch veld verandert, de verandering in het magnetische veld een stroom zal induceren in de geleider, waarvan de grootte wordt bepaald door het aantal windingen van de geleiderspoel. Dit is het principe waarmee de secundaire spoel wordt bekrachtigd.

Wanneer er een spanning op de primaire spoel wordt aangelegd, ontstaat er een magnetisch veld rond de kern. De sterkte hangt af van de toegepaste stroom. Het opgewekte magnetische veld induceert dus een stroom in de secundaire spoel die een functie is van de grootte van het magnetische veld en het aantal windingen van de secundaire spoel.

Dit werkingsprincipe van de transformator verklaart ook waarom de AC moest worden uitgevonden, omdat de transformator alleen werkt als er een wisseling is in de aangelegde spanning of stroom, omdat alleen dan de elektromagnetische inductieprincipes werken. De transformator kon toen dus niet voor gelijkstroom worden gebruikt.

Constructie van de transformator

In principe bestaat een transformator uit twee delen, waaronder; twee inductieve spoelen en een gelamineerde stalen kern. De spoelen zijn van elkaar geïsoleerd en ook geïsoleerd om contact met de kern te voorkomen.

De constructie van de transformator wordt dus onder de spoel- en kernconstructie onderzocht.

Transformer's Core

De kern van de transformator wordt altijd geconstrueerd door gelamineerde staalplaten op elkaar te stapelen, zodat er een minimale luchtspleet tussen zit. De transformatorkern is de laatste tijd altijd gemaakt van een gelamineerde stalen kern in plaats van ijzeren kernen om verliezen door wervelstroom te verminderen.

Er zijn drie hoofdvormen van de gelamineerde staalplaten om uit te kiezen, namelijk E, I en L.

Bij het stapelen van het laminaat om de kern te vormen, worden ze altijd zo gestapeld dat de zijden van de voeg worden afgewisseld. Als de vellen bijvoorbeeld tijdens de eerste montage met de voorkant worden geassembleerd, zullen ze voor de volgende montage aan de achterkant worden gemonteerd, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Dit wordt gedaan om een ​​hoge terughoudendheid bij de gewrichten te voorkomen.

Spoel

Bij het construeren van een transformator wordt het erg belangrijk om het type transformator te specificeren als stap omhoog of omlaag, omdat dit het aantal windingen bepaalt dat zal bestaan ​​in de primaire of secundaire spoel.

Soorten transformatoren:

Er zijn voornamelijk drie soorten spanningstransformatoren;

1. Stap uit Transformers

2. Voer transformatoren op

3. Isolatietransformatoren

De step-down transformatoren zijn transformatoren die een verlaagde waarde geven van de spanning die wordt aangelegd aan de primaire spoel bij de secundaire spoel, terwijl voor een step-up transformator de transformator een verhoogde waarde geeft van de spanning die wordt aangelegd op de primaire spoel, bij de secundaire spoel. spoel.

Scheidingstransformatoren zijn transformatoren die dezelfde spanning geven die wordt toegepast op de primaire bij de secundaire en dus in principe worden gebruikt om elektrische circuits te isoleren.

Uit de bovenstaande uitleg kan het creëren van een bepaald type transformator alleen worden bereikt door het aantal windingen in elk van de primaire en secundaire spoelen te ontwerpen om de vereiste output te geven, dit kan dus worden bepaald door de windingsverhouding. U kunt de gekoppelde tutorial lezen om meer te weten te komen over de verschillende soorten transformatoren.

Transformator verandert ratio en EMF-vergelijking:

De transformatoromwentelingsverhouding (n) wordt gegeven door de vergelijking;

n = Np / Ns = Vp / Vs

waarbij n = draait ratio

Np = aantal windingen in primaire spoel

Ns = aantal windingen in secundaire spoel

Vp = spanning toegepast op de primaire

Vs = spanning aan de secundaire zijde

Deze hierboven beschreven relatie kan worden gebruikt om elk van de parameters in de vergelijking te berekenen.

De bovenstaande formule staat bekend als de spanningsactie van de transformatoren.

Omdat we zeiden dat de kracht na transformatie hetzelfde blijft;

Deze bovenstaande formule wordt de huidige actie van de transformator genoemd. Wat als bewijs dient dat de transformator niet alleen spanning transformeert, maar ook stroom.

EMF-vergelijking:

Het aantal windingen van de spoel van een van de primaire of secundaire spoel bepaalt de hoeveelheid stroom die deze induceert of erdoor wordt geïnduceerd. Wanneer de stroom die wordt aangelegd aan de primaire wordt verminderd, wordt de sterkte van het magnetische veld verminderd en hetzelfde geldt voor de stroom die wordt geïnduceerd in de secundaire wikkeling.

E = N (dΦ / dt)

De hoeveelheid spanning geïnduceerd in de secundaire wikkeling wordt gegeven door de vergelijking:

Waar N het aantal windingen in de secundaire wikkeling is.

Aangezien de flux sinusvormig varieert, is de magnetische flux Φ = Φ _max sinwt

dus

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

De gemiddelde kwadraatwaarde van de geïnduceerde emf wordt verkregen door de maximale waarde van de emf te delen door √2

Deze vergelijking staat bekend als de EMF-vergelijking van de transformator.

Waar: N is het aantal windingen in spoelwikkeling

f is de fluxfrequentie in hertz

Φ is de magnetische fluxdichtheid in Weber

met al deze waarden bepaald, kan de transformator dus worden geconstrueerd.

Elektrische kracht

Zoals eerder uitgelegd, zijn transformatoren gemaakt om ervoor te zorgen dat de waarde van het elektrische vermogen dat wordt gegenereerd bij de opwekkingsstations met weinig of geen verlies aan de eindgebruikers wordt geleverd, dus in een ideale transformator is het vermogen aan de uitgang (secundaire wikkeling) altijd hetzelfde als het ingangsvermogen. Transformatoren worden dus constant wattage-apparaten genoemd, hoewel ze de spannings- en stroomwaarden kunnen veranderen, gebeurt dit altijd op zo'n manier dat hetzelfde vermogen aan de ingang beschikbaar is aan de uitgang.

Dus

P _s = P _p

waarbij Ps het vermogen aan de secundaire zijde is en Pp het vermogen aan de primaire.

Aangezien P = IvcosΦ dan I _s V _s cos _s = I _p V _p cos _p

Efficiëntie van een transformator

De efficiëntie van een transformator wordt gegeven door de vergelijking;

Rendement = (uitgangsvermogen / ingangsvermogen) * 100%

Hoewel het uitgangsvermogen van een Ideale transformator hetzelfde moet zijn als de voedingsingang, zijn de meeste transformatoren ver verwijderd van de Ideale transformator en ervaren ze verliezen als gevolg van verschillende factoren.

Enkele van de verliezen die een transformator kunnen ervaren, worden hieronder vermeld;

1. Koperverliezen

2. Hystereseverliezen

3. Wervelstroomverliezen

1. Koperverliezen

Deze verliezen worden soms wikkelingsverliezen of I ² R-verliezen genoemd. Deze verliezen houden verband met het vermogen dat wordt gedissipeerd door de geleider die wordt gebruikt voor de wikkeling wanneer er stroom doorheen wordt geleid vanwege de weerstand van de geleider. De waarde van dit verlies kan worden berekend met behulp van de formule;

P = ik ² R

2. Hystereseverliezen

Dit is een verlies dat verband houdt met de terughoudendheid van de materialen die worden gebruikt voor de kern van de transformator. Als de wisselstroom van richting verandert, heeft dit een invloed op de interne structuur van het materiaal dat voor de kern wordt gebruikt, aangezien het de neiging heeft fysieke veranderingen te ondergaan die ook een deel van de energie verbruiken.

3. Wervelstroomverliezen

Dit verlies wordt doorgaans overwonnen door het gebruik van gelamineerde dunne staalplaten. Het wervelstroomverlies komt voort uit het feit dat de kern ook een geleider is en een emf zal opwekken in de secundaire spoel. De stromen die volgens de wet van Faradays in de kern worden geïnduceerd, zullen het magnetische veld tegenwerken en leiden tot de dissipatie van energie.

We hebben het effect van deze verliezen meegerekend in de efficiëntieberekeningen van de transformator;

Rendement = (ingangsvermogen - verliezen / ingangsvermogen) * 100% Alle parameters uitgedrukt in eenheden van vermogen.