Hoe Transformers werken

Volgens de definitie gegeven in Wikipedia een elektrische transformator is een stationair apparaat dat elektrisch vermogen uitwisselt over een paar nauw gewonden spoelen, door middel van magnetische inductie.

Een constant veranderende stroom in één wikkeling van de transformator genereert een variërende magnetische flux, die dientengevolge een variërende elektromotorische kracht induceert over een tweede spoel die over dezelfde kern is gebouwd.

Basis werkingsprincipe

Transformatoren werken in principe door het overbrengen van elektrisch vermogen tussen een paar spoelen via wederzijdse inductie, zonder afhankelijk te zijn van enige vorm van direct contact tussen de twee wikkelingen.

Dit proces van overdracht van elektriciteit door inductie werd voor het eerst bewezen door de inductiewet van Faraday, in het jaar 1831. Volgens deze wet wordt de geïnduceerde spanning over twee spoelen gecreëerd als gevolg van een variërende magnetische flux rond de spoel.

De fundamentele functie van een transformator is het verhogen of verlagen van een wisselspanning / -stroom, in verschillende verhoudingen volgens de vereisten van de toepassing. De verhoudingen worden bepaald door het aantal windingen en de windingsverhouding van de wikkeling.

Analyse van een ideale transformator

We kunnen ons een ideale transformator voorstellen als een hypothetisch ontwerp dat vrijwel zonder enige vorm van verliezen kan zijn. Bovendien kan bij dit ideale ontwerp de primaire en secundaire wikkeling perfect met elkaar zijn gekoppeld.

Dit betekent dat de magnetische binding tussen de twee wikkelingen plaatsvindt via een kern waarvan de magnetische permeabiliteit oneindig is, en met wikkelingsinductanties bij een totale magnetomotorische kracht van nul.

We weten dat in een transformator de toegepaste wisselstroom in de primaire wikkeling probeert een variërende magnetische flux af te dwingen in de kern van de transformator, die ook de secundaire wikkeling eromheen omvat.

Door deze variërende flux wordt via elektromagnetische inductie een elektromotorische kracht (EMF) op de secundaire wikkeling geïnduceerd. Dit resulteert in het genereren van flux op de secundaire wikkeling met een grootte die tegengesteld maar gelijk is aan de primaire wikkelingsflux, volgens Lenz'z wet ​

Omdat de kern een oneindige magnetische permeabiliteit heeft, kan de volledige (100%) magnetische flux over de twee wikkelingen worden overgedragen.

Dit houdt in dat, wanneer de primaire wikkeling wordt blootgesteld aan een wisselstroombron en een belasting is aangesloten op de secundaire wikkelingsklemmen, stroom door de respectieve wikkeling vloeit in richtingen zoals aangegeven in het volgende diagram. In deze toestand wordt de magnetomotorische kracht van de kern tot nul geneutraliseerd.

Met dank aan: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

In dit ideale transformatorontwerp, aangezien de overdracht van flux over de primaire en secundaire wikkeling 100% is, zal volgens de wet van Faraday de geïnduceerde spanning op elk van de wikkelingen perfect evenredig zijn met het aantal windingen van de wikkeling, zoals weergegeven in het volgende figuur:

Testvideo Verifiëren van de lineaire relatie tussen primaire / secundaire bochtverhouding.

DRAAIEN EN SPANNINGSVERHOUDINGEN

Laten we proberen de berekeningen van de wendverhouding in detail te begrijpen:

De netto grootte van de spanning die wordt geïnduceerd van de primaire naar de secundaire wikkeling wordt eenvoudigweg bepaald door de verhouding van het aantal windingen dat over de primaire en secundaire secties is gewikkeld.

Deze regel is echter alleen van toepassing als de transformator zich in de buurt van een ideale transformator bevindt.

Een ideale transformator is die transformator die verwaarloosbare verliezen heeft in de vorm van skin effect of wervelstroom.

Laten we het voorbeeld van de onderstaande afbeelding 1 nemen (voor een ideale transformator).

Stel dat de primaire wikkeling uit ongeveer 10 windingen bestaat, terwijl de secundaire wikkeling slechts een enkele winding heeft. Als gevolg van elektromagnetische inductie zetten de fluxlijnen die over de primaire wikkeling worden gegenereerd als reactie op de AC-ingang, afwisselend uit en ineen, waardoor ze de 10 windingen van de primaire wikkeling doorsnijden. Dit resulteert in een precies evenredige hoeveelheid spanning die over de secundaire wikkeling wordt geïnduceerd, afhankelijk van de windingsverhouding.

De wikkeling die wordt geleverd met AC-ingang wordt de primaire wikkeling, terwijl de complementaire wikkeling die de uitgang produceert via magnetische inductie van de primaire wikkeling de secundaire wikkeling wordt.

Figuur 1)

Omdat de secundaire slechts één omwenteling heeft, ervaart hij een evenredige magnetische flux over zijn enkele omwenteling ten opzichte van de 10 windingen van de primaire.

Daarom, aangezien de spanning die over de primaire wordt aangelegd 12 V is, zou elk van de wikkelingen worden onderworpen aan een tegen-EMF van 12/10 = 1,2 V, en dit is precies de grootte van de spanning die de enkele draaiing zou beïnvloeden het secundaire gedeelte. Dit komt omdat het een enkele wikkeling heeft die in staat is om slechts dezelfde equivalente hoeveelheid inductie te extraheren die beschikbaar kan zijn over de enkele omwenteling over de primaire.

Dus de secundaire met een enkele draai zou 1,2V uit de primaire kunnen halen.

De bovenstaande uitleg geeft aan dat het aantal omwentelingen over een primaire transformator lineair overeenkomt met de voedingsspanning eroverheen en de spanning wordt eenvoudigweg gedeeld door het aantal windingen.

Dus in het bovenstaande geval, aangezien de spanning 12 V is en het aantal beurten 10 is, zou de netto teller EMF geïnduceerd over elk van de beurten 12/10 = 1,2 V zijn.

Voorbeeld 2

Laten we nu de onderstaande figuur 2 visualiseren, deze toont een soortgelijk type configuratie als in figuur1. verwacht de secundaire die nu 1 extra beurt heeft, dat is 2 aantal beurten.

Onnodig te zeggen dat de secundaire nu twee keer zoveel fluxlijnen zou doormaken in vergelijking met de conditie van figuur 1, die slechts één draai had.

Dus hier zou de secundaire wikkeling ongeveer 12/10 x 2 = 2,4V zijn, omdat de twee windingen zouden worden beïnvloed door een grootte van de tegen-EMF die equivalent kan zijn over de twee wikkelingen aan de primaire zijde van de trafo.

Daarom kunnen we uit de bovenstaande discussie in het algemeen concluderen dat in een transformator de relatie tussen de spanning en het aantal windingen over de primaire en de secundaire tamelijk lineair en proportioneel is.

Transformer draai nummers

De afgeleide formule voor het berekenen van het aantal windingen voor elke transformator kan dus worden uitgedrukt als:

Es / Ep = Ns / Np

waar,

• Es = secundaire spanning ​
• Ep = primaire spanning,
• Ns = aantal secundaire windingen,
• Np = aantal primaire beurten.

Primaire secundaire bochtverhouding

Het zou interessant zijn om op te merken dat de bovenstaande formule een duidelijke relatie aangeeft tussen de verhouding van de secundaire tot primaire spanning en het secundaire tot primaire aantal windingen, waarvan wordt aangegeven dat ze evenredig en gelijk zijn.

Daarom kan de bovenstaande vergelijking ook worden uitgedrukt als:

Ep x Ns = Es x Np

Verderop kunnen we de bovenstaande formule afleiden voor het oplossen van de Es en Ep zoals hieronder weergegeven:

Es = (Ep x Ns) / Np

evenzo

Ep = (Es x Np) / Ns

De bovenstaande vergelijking laat zien dat als er drie magnitudes beschikbaar zijn, de vierde magnitude gemakkelijk kan worden bepaald door de formule op te lossen.

Praktische problemen met het opwinden van transformatoren oplossen

Case in punt # 1: Een transformator heeft 200 windingen in de primaire sectie, 50 windingen in de secundaire sectie en 120 volt aangesloten over de primaire sectie (Ep). Wat zou de spanning over de secundaire (E s) kunnen zijn?

Gegeven:

• Np = 200 slagen
• Ns = 50 windingen
• Ep = 120 volt
• Is =? volt

Antwoord:

Es = EpNs / Np

Vervanging:

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

Es = 30 volt

Voorbeeld in punt 2 ​ Stel dat we 400 draadwindingen in een ijzeren kern hebben.

Ervan uitgaande dat de spoel moet worden gebruikt als de primaire wikkeling van een transformator, bereken dan het aantal windingen dat op de spoel moet worden gewikkeld om de secundaire wikkeling van de transformator te verkrijgen om een ​​secundaire spanning van één volt te garanderen met een situatie waarin de primaire spanning is 5 volt?

Gegeven:

• Np = 400 slagen
• Ep = 5 volt
• Es = 1 volt
• Ns =? bochten

Antwoord:

EpNs = EsNp

Omzetten voor Ns:

Ns = EsNp / Ep

Vervanging:

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

Ns = 80 beurten

Houd in gedachten: De verhouding van de spanning (5: 1) komt overeen met de wikkelverhouding (400: 80). Af en toe, als vervanging voor bepaalde waarden, wordt u een draai- of spanningsverhouding toegewezen.

In dergelijke gevallen kunt u eenvoudig een willekeurig getal aannemen voor een van de spanningen (of wikkelingen) en de andere alternatieve waarde uit de verhouding berekenen.

Stel ter illustratie dat een wikkelverhouding wordt toegewezen als 6: 1, dan kunt u zich een aantal omwentelingen voor de primaire sectie voorstellen en het equivalente secundaire aantal windingen berekenen, met vergelijkbare verhoudingen zoals 60:10, 36: 6, 30: 5, enz.

De transformator in alle bovenstaande voorbeelden heeft een kleiner aantal windingen in het secundaire gedeelte vergeleken met het primaire gedeelte. Om die reden kunt u een kleinere hoeveelheid spanning vinden over de secundaire zijde van de trafo in plaats van over de primaire zijde.

Wat zijn Step-up en Step-Down Transformers

Een transformator waarvan de spanning aan de secundaire zijde lager is dan de nominale spanning aan de primaire zijde, wordt een STAP-DOWN transformator ​

Of, als de AC-ingang wordt toegepast op de wikkeling die een groter aantal windingen heeft, werkt de transformator als een step-down transformator.

De verhouding van een vier-op-één step-down transformator wordt beschreven als 4: 1. Een transformator die een kleiner aantal windingen aan de primaire zijde bevat in vergelijking met de secundaire zijde, genereert een hogere spanning over de secundaire zijde in vergelijking met de spanning die aan de primaire zijde is aangesloten.

Een transformator met een secundaire zijde die hoger is dan de spanning over de primaire zijde, wordt een STEP-UP-transformator genoemd. Of, als alternatief, als de AC-ingang wordt toegepast op een wikkeling met een kleiner aantal windingen, werkt de transformator als een step-up transformator.

De verhouding van een één-op-vier step-up transformator moet worden ingeschreven als 1: 4. Zoals je in de twee verhoudingen kunt zien, wordt de grootte van de primaire zijwikkeling in het begin consequent vermeld.

Kunnen we een step-down transformator gebruiken als een step-up transformator en vice versa?

Ja absoluut! Alle transformatoren werken met hetzelfde fundamentele principe als hierboven beschreven. Het gebruik van een step-up-transformator als een step-down-transformator betekent eenvoudigweg dat de ingangsspanningen over hun primaire / secundaire wikkeling worden verwisseld.

Als u bijvoorbeeld een gewone voedingstransformator heeft die u voorziet van een 12-0-12V output van een 220V AC ingang, dan kunt u dezelfde transformator gebruiken als een step-up transformator voor het produceren van 220V output van een 12V AC. invoer.

Een klassiek voorbeeld is een inverter circuit , waar de transformatoren niets speciaals in zich hebben. Ze werken allemaal met de gewone step-down transformatoren die op de tegenovergestelde manier zijn aangesloten.

Impact van belasting

Telkens wanneer een belasting of een elektrisch apparaat is aangesloten over de secundaire wikkeling van een transformator, loopt stroom of ampère samen met de belasting over de secundaire zijde van de wikkeling.

De magnetische flux die wordt gegenereerd door de stroom in de secundaire wikkeling, werkt samen met de magnetische fluxlijnen die worden gegenereerd door de versterkers aan de primaire zijde. Dit conflict tussen de twee lijnen van fluxen wordt gegenereerd als gevolg van de gedeelde inductantie tussen de primaire en secundaire wikkeling.

Wederzijdse flux

De absolute flux in het kernmateriaal van de transformator is overheersend voor zowel de primaire als secundaire wikkelingen. Het is bovendien een manier waarop elektrisch vermogen kan migreren van de primaire wikkeling naar de secundaire wikkeling.

Vanwege het feit dat deze flux beide wikkelingen verenigt, het fenomeen dat algemeen bekend staat als MUTUAL FLUX. Ook is de inductantie die deze flux genereert overheersend voor beide wikkelingen en wordt deze wederzijdse inductie genoemd.

Afbeelding (2) hieronder toont de flux die wordt gecreëerd door de stromen in de primaire en secundaire wikkeling van een transformator telkens wanneer de voedingsstroom wordt ingeschakeld in de primaire wikkeling.

Figuur 2)

Telkens wanneer de belastingsweerstand is verbonden met de secundaire wikkeling, triggert de spanning die in de secundaire wikkeling wordt gestimuleerd, stroom om in de secundaire wikkeling te circuleren.

Deze stroom produceert een fluxring rond de secundaire wikkeling (aangegeven als stippellijnen) die een alternatief kunnen zijn voor het fluxveld rond de primaire wikkeling (wet van Lenz).

Bijgevolg annuleert de flux rond de secundaire wikkeling de meeste flux rond de primaire wikkeling.

Met een kleinere hoeveelheid flux die de primaire wikkeling omgeeft, wordt de omgekeerde emf verlaagd en wordt meer ampère uit de voeding gezogen. De aanvullende stroom in de primaire wikkeling geeft extra fluxlijnen vrij, waardoor het aanvankelijke aantal absolute fluxlijnen vrijwel hersteld wordt.

BEURT EN HUIDIGE RATIO'S

Het aantal fluxlijnen dat in een trafokern wordt geproduceerd, is evenredig met de magnetiserende kracht

(IN AMPERE-BEURT) van de primaire en secundaire wikkelingen.

De ampère-draaiing (I x N) is een indicatie van de magneto-aandrijfkracht, het kan worden opgevat als de magnetomotorische kracht die wordt geproduceerd door één ampère stroom die in een spoel van 1 omwenteling loopt.

De flux die beschikbaar is in de kern van een transformator omgeeft samen de primaire en secundaire wikkelingen.

Aangezien de flux identiek is voor elke wikkeling, moeten de ampère-windingen in elke primaire en secundaire wikkeling altijd precies hetzelfde zijn.

Om die reden:

IpNp = IsNs

Waar:

IpNp = ampère / windingen in de primaire wikkeling
IsNs - Ampère / windingen in de secundaire wikkeling

Door beide zijden van de uitdrukking te delen door
Ik p , we krijgen:
Np / Ns = Is / Ip

sinds: Es / Ep = Ns / Np

Vervolgens: Ep / Es = Np / Ns

Ook: Ep / Es = Is / Ip

waar

• Ep = spanning aangelegd over primair in volt
• Es = spanning over de secundaire in volt
• Ip = stroom in de primaire in Amp
• Is = stroom in de secundaire in ampère

Merk op dat de vergelijkingen aangeven dat de ampère-verhouding het omgekeerde is van de wikkelings- of de wikkelverhouding, evenals de spanningsverhouding.

Dit houdt in dat een transformator die minder beurten aan de secundaire zijde heeft in vergelijking met de primaire, de spanning kan verlagen, maar de stroom zou verhogen. Bijvoorbeeld:

Stel dat een transformator een spanningsverhouding van 6: 1 heeft.

Probeer de stroom of ampère aan de secundaire zijde te vinden als de stroom of de versterker aan de primaire zijde 200 milliampère is.

Veronderstellen

Ep = 6V (als voorbeeld)
Is = 1V
Ip = 200mA of 0.2Amp
Is =?

Antwoord:

Ep / Es = Is / Ip

Omzetten voor Is:

Is = EpIp / Es

Vervanging:

Is = (6V x 0.2A) / 1V
Is = 1,2A

Het bovenstaande scenario behandelt dat ondanks het feit dat de spanning over de secundaire wikkeling een zesde is van de spanning over de primaire wikkeling, de stroomsterkte in de secundaire wikkeling 6 keer de ampère in de primaire wikkeling is.

De bovenstaande vergelijkingen zouden heel goed vanuit een alternatief perspectief kunnen worden bekeken.

De wikkelverhouding geeft de som aan waarmee de transformator de spanning die op de primaire zijde is aangesloten, verbetert of verhoogt of verlaagt.

Ter illustratie: stel dat als de secundaire wikkeling van een transformator het dubbele aantal windingen heeft als de primaire wikkeling, de spanning die naar de secundaire zijde wordt gestimuleerd waarschijnlijk tweemaal de spanning over de primaire wikkeling is.

In het geval dat de secundaire wikkeling de helft van het aantal windingen aan de primaire zijde draagt, wordt de spanning over de secundaire zijde de helft van de spanning over de primaire wikkeling.

Dat gezegd hebbende, de wikkelingsverhouding en de versterkerverhouding van een transformator omvatten een omgekeerde associatie.

Dientengevolge zou een 1: 2 step-up transformator de helft van de versterker aan de secundaire zijde kunnen hebben in vergelijking met de primaire zijde. Een 2: 1 step-down transformator kan twee keer de versterker in de secundaire wikkeling hebben ten opzichte van de primaire zijde.

Illustratie: Een transformator met een wikkelingsverhouding van 1:12 heeft 3 ampère stroom in de secundaire zijde. Wil je weten hoeveel versterkers er in de primaire wikkeling zitten?

Gegeven:

Np = 1 slag (bijvoorbeeld)
Ns = 12 windingen
Is = 3Amp
Lp =?

Antwoord:

Np / Ns = Is / Ip

Vervanging:

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

Ip = 36A

Wederzijdse inductantie berekenen

Wederzijdse inductie is een proces waarbij één wikkeling een EMF-inductie doorloopt vanwege de veranderingssnelheid van de aangrenzende wikkeling die leidt tot een inductieve koppeling tussen de wikkeling.

Met andere woorden Wederzijdse inductie is de verhouding van de geïnduceerde emf over de ene wikkeling tot de snelheid van stroomverandering op de andere wikkeling, zoals uitgedrukt in de volgende formule:

M = emf / di (t) / dt

Fasering in transformatoren:

Normaal gesproken geloven de meesten van ons bij het onderzoeken van transformatoren dat de primaire en secundaire wikkelingsspanning en -stromen in fase met elkaar zijn. Dit is echter niet altijd waar. In transformatoren is de relatie tussen de spanning, de huidige fasehoek over primair en secundair afhankelijk van hoe deze wikkelingen rond de kern worden gedraaid. Het hangt ervan af of ze beide tegen de klok in of met de klok mee zijn, of dat de ene winding met de klok mee wordt gedraaid terwijl de andere tegen de klok in draait.

Laten we naar de volgende diagrammen verwijzen om te begrijpen hoe de oriëntatie van de wikkeling de fasehoek beïnvloedt:

In het bovenstaande voorbeeld zien de wikkelrichtingen er identiek uit, dat wil zeggen dat zowel de primaire als de secundaire wikkeling met de klok mee zijn gedraaid. Door deze identieke oriëntatie is de fasehoek van de uitgangsstroom en -spanning identiek aan de fasehoek van de ingangsstroom en -spanning.

In het tweede voorbeeld hierboven is de wikkelrichting van de transformator te zien in tegengestelde richting. Zoals te zien is, lijkt de primaire richting met de klok mee te zijn, terwijl de secundaire tegen de klok in is gewikkeld. Vanwege deze tegengestelde wikkelingsoriëntatie is de fasehoek tussen de twee wikkelingen 180 graden uit elkaar en vertoont de geïnduceerde secundaire uitgang een uit fase bestaande stroom- en spanningsrespons.

Puntnotatie en puntconventie

Om verwarring te voorkomen, wordt puntnotatie of puntconventie gebruikt om de wikkelingsoriëntatie van een transformator weer te geven. Hierdoor kan de gebruiker de specificaties van de invoer- en uitvoerfasehoek begrijpen, ongeacht of de primaire en secundaire wikkeling in fase of niet in fase zijn.

Puntconventie wordt geïmplementeerd door puntmarkeringen over het startpunt van de wikkeling, die aangeven of de wikkeling in fase of uit fase met elkaar is.

Het volgende transformatorschema heeft een puntconventie-aanduiding en het geeft aan dat de primaire en secundaire van de transformator in fase met elkaar zijn.

Puntnotatie die in de onderstaande afbeelding wordt gebruikt, toont de DOT's die over de tegenoverliggende punten van de primaire en secundaire wikkeling zijn geplaatst. Dit geeft aan dat de wikkelingsoriëntatie van de twee zijden niet hetzelfde is en daarom zal de fasehoek over de twee wikkelingen 180 graden uit fase zijn wanneer een AC-ingang wordt toegepast op een van de wikkelingen.

Verliezen in een echte transformator

De berekeningen en formules die in de bovenstaande paragrafen worden overwogen, waren gebaseerd op een ideale transformator. In de echte wereld, en voor een echte transformator, kan het scenario echter heel anders zijn.

U zult zien dat in een ideaal ontwerp de volgende fundamentele lineaire factoren van echte transformatoren worden genegeerd:

(a) Veel soorten kernverliezen, samen bekend als magnetiserende stroomverliezen, die de volgende soorten verliezen kunnen omvatten:

• Hystereseverliezen: dit wordt veroorzaakt door niet-lineaire invloeden van de magnetische flux op de kern van de transformator.
• Wervelstroomverliezen: dit verlies wordt gegenereerd door het fenomeen joule-verwarming in de transformatorkern. Het is evenredig met het kwadraat van de spanning die op de primaire van de transformator wordt toegepast.

(b) In tegenstelling tot de ideale transformator, kan de weerstand van de wikkeling in een echte transformator nooit weerstand nul hebben. Dit betekent dat de wikkeling uiteindelijk enige weerstand en inductanties zal hebben.

• Joule-verliezen: zoals hierboven uitgelegd, veroorzaakt de weerstand die wordt gegenereerd over de wikkelklemmen, Joule-verliezen.
• Lekflux: we weten dat transformatoren sterk afhankelijk zijn van magnetische inductie over hun wikkeling. Omdat de wikkeling echter op een gemeenschappelijke enkele kern is gebouwd, vertoont de magnetische flux de neiging om via de kern over de wikkeling te lekken. Dit geeft aanleiding tot een impedantie die primaire / secundaire reactieve impedantie wordt genoemd en die bijdraagt ​​aan de verliezen van de transformator.

(c) Omdat een transformator ook een soort inductor is, wordt hij ook beïnvloed door verschijnselen zoals parasitaire capaciteit en zelfresonantie, vanwege de elektrische veldverdeling. Deze parasitaire capaciteit kan gewoonlijk in 3 verschillende vormen voorkomen, zoals hieronder weergegeven:

• Capaciteit gegenereerd tussen de windingen boven elkaar in een enkele laag
• Capaciteit gegenereerd over twee of meer aangrenzende lagen
• Capaciteit gecreëerd tussen de transformatorkern en de wikkellaag (lagen) die naast de kern liggen

Gevolgtrekking

Uit de bovenstaande discussie kunnen we begrijpen dat in praktische toepassingen het berekenen van een transformator, met name een ijzeren kerntransformator, niet zo eenvoudig is als een ideale transformator zou zijn.

Om de meest nauwkeurige resultaten voor de wikkelgegevens te krijgen, moeten we mogelijk rekening houden met veel factoren, zoals: fluxdichtheid, kernoppervlak, kernafmeting, tongbreedte, vensteroppervlak, kernmateriaaltype enz.

U kunt meer over al deze berekeningen leren onder dit bericht: