Βασικά στοιχεία του μετασχηματιστή

Οι μετασχηματιστές γενικά, είναι συσκευές ικανές να μετατρέπουν ποσότητες από τη μία τιμή στην άλλη. Για αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε στον μετασχηματιστή τάσης που είναι ένα στατικό ηλεκτρικό εξάρτημα ικανό να μετατρέψει την τάση εναλλασσόμενου ρεύματος από τη μία τιμή στην άλλη χωρίς να αλλάξει τη συχνότητα χρησιμοποιώντας τις αρχές της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

Σε ένα από τα προηγούμενα άρθρα μας για το εναλλασσόμενο ρεύμα, αναφέραμε πόσο σημαντικό ήταν ο μετασχηματιστής, στην ιστορία του εναλλασσόμενου ρεύματος. Ήταν ο κύριος ενεργοποιητής που έκανε το εναλλασσόμενο ρεύμα δυνατό. Αρχικά όταν χρησιμοποιούσαν συστήματα με βάση DC, δεν μπορούσαν να μεταφερθούν σε μεγάλες αποστάσεις λόγω απώλειας ισχύος στις γραμμές καθώς αυξάνεται η απόσταση (μήκος), πράγμα που σημαίνει ότι οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής DC έπρεπε να τοποθετηθούν παντού, επομένως ο κύριος στόχος του AC ήταν για την επίλυση του ζητήματος μετάδοσης και χωρίς τον μετασχηματιστή, αυτό δεν θα ήταν δυνατό καθώς οι απώλειες θα υπήρχαν ακόμη και με το AC.

Με τον μετασχηματιστή στη θέση του, το AC θα μπορούσε να μεταδοθεί από τους σταθμούς παραγωγής σε πολύ υψηλή τάση αλλά χαμηλό ρεύμα που εξαλείφει τις απώλειες στη γραμμή (καλώδια) λόγω της τιμής I ² R (που δίνει την απώλεια ισχύος σε μια γραμμή). Ο μετασχηματιστής χρησιμοποιείται στη συνέχεια για τη μετατροπή της υψηλής τάσης, της ενέργειας χαμηλού ρεύματος σε χαμηλή τάση, της υψηλής ενέργειας ρεύματος για τελική διανομή σε μια κοινότητα χωρίς να αλλάζει η συχνότητα και με την ίδια ισχύ που μεταδόθηκε από το σταθμό παραγωγής (P = IV).

Για να κατανοήσετε καλύτερα τον μετασχηματιστή τάσης, είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε το πιο απλοποιημένο μοντέλο του που είναι ο μονοφασικός μετασχηματιστής.

Μονοφασικός μετασχηματιστής

Ο μονοφασικός μετασχηματιστής είναι ο πιο συνηθισμένος (από άποψη αριθμών σε χρήση) είδος μετασχηματιστών τάσης. Είναι παρόν στις περισσότερες από τις «συνδεδεμένες» συσκευές που χρησιμοποιούμε στο σπίτι και οπουδήποτε αλλού.

Χρησιμοποιείται για να περιγράψει την αρχή λειτουργίας, την κατασκευή κλπ ενός μετασχηματιστή επειδή άλλοι μετασχηματιστές είναι σαν παραλλαγή ή τροποποίηση του μονοφασικού μετασχηματιστή. Για παράδειγμα, ορισμένα άτομα αναφέρονται στον τριφασικό μετασχηματιστή ως αποτελούμενο από 3 μονοφασικούς μετασχηματιστές.

Ο Μονοφασικός Μετασχηματιστής αποτελείται από δύο πηνία / περιέλιξη (Το πρωτεύον και το δευτερεύον πηνίο). Αυτές οι δύο περιελίξεις είναι διατεταγμένες με τέτοιο τρόπο ώστε να μην υπάρχει ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους, έτσι τυλίγονται γύρω από ένα κοινό μαγνητικό Σίδερο που γενικά αναφέρεται ως πυρήνας του μετασχηματιστή, επομένως τα δύο πηνία έχουν μόνο μαγνητική σύνδεση μεταξύ τους. Αυτό διασφαλίζει ότι η ισχύς μεταδίδεται μόνο μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και καθιστά επίσης τους μετασχηματιστές χρήσιμους για συνδέσεις απομόνωσης.

Λειτουργική αρχή του μετασχηματιστή:

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο μετασχηματιστής αποτελείται από δύο πηνία. τα πρωτεύοντα και τα δευτερεύοντα πηνία. Το πρωτεύον πηνίο αντιπροσωπεύει πάντα την είσοδο στον μετασχηματιστή ενώ το δευτερεύον πηνίο, την έξοδο από τον μετασχηματιστή.

Δύο κύρια εφέ καθορίζουν τη λειτουργία του μετασχηματιστή:

Το πρώτο είναι ότι, ένα ρεύμα που ρέει μέσω ενός σύρματος δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από το καλώδιο. Το μέγεθος του προκύπτοντος μαγνητικού πεδίου είναι πάντοτε ευθέως ανάλογο με την ποσότητα του ρεύματος που διέρχεται από το καλώδιο. Το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου αυξάνεται, εάν το σύρμα τυλίγεται σε μορφή πηνίου. Αυτή είναι η αρχή με την οποία ο μαγνητισμός προκαλείται από το πρωτεύον πηνίο. Εφαρμόζοντας μια τάση στο πρωτεύον πηνίο, προκαλεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον πυρήνα του μετασχηματιστή.

Το δεύτερο αποτέλεσμα που όταν συνδυάζεται με το πρώτο εξηγεί την αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή που βασίζεται στο γεγονός ότι, εάν ένας αγωγός τυλίγεται γύρω από ένα κομμάτι μαγνήτη και το μαγνητικό πεδίο αλλάζει, η αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο θα προκαλέσει ένα ρεύμα σε ο αγωγός, το μέγεθος του οποίου θα καθοριστεί από τον αριθμό των στροφών του πηνίου αγωγού. Αυτή είναι η αρχή με την οποία ενεργοποιείται το δευτερεύον πηνίο.

Όταν μια τάση εφαρμόζεται στο πρωτεύον πηνίο, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον πυρήνα, η ισχύς εξαρτάται από το εφαρμοζόμενο ρεύμα. Το δημιουργημένο μαγνητικό πεδίο προκαλεί έτσι ένα ρεύμα στο δευτερεύον πηνίο που είναι συνάρτηση του μεγέθους του μαγνητικού πεδίου και των αριθμών στροφών του δευτερεύοντος πηνίου.

Αυτή η λειτουργική αρχή του μετασχηματιστή εξηγεί επίσης γιατί έπρεπε να εφευρεθεί το εναλλασσόμενο ρεύμα, επειδή ο μετασχηματιστής θα λειτουργεί μόνο όταν υπάρχει εναλλαγή στην εφαρμοζόμενη τάση ή ρεύμα, καθώς μόνο οι αρχές της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής θα λειτουργήσουν. Έτσι ο μετασχηματιστής δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για DC τότε.

Κατασκευή του μετασχηματιστή

Βασικά, ένας μετασχηματιστής αποτελείται από δύο μέρη που περιλαμβάνουν: δύο επαγωγικά πηνία και ένα πλαστικοποιημένο ατσάλινο πυρήνα. Τα πηνία είναι μονωμένα το ένα από το άλλο και επίσης μονωμένα για να αποτρέπεται η επαφή με τον πυρήνα.

Η κατασκευή του μετασχηματιστή θα εξεταστεί επομένως υπό την κατασκευή πηνίου και πυρήνα.

Πυρήνας μετασχηματιστή

Ο πυρήνας του μετασχηματιστή κατασκευάζεται πάντα με στοίβαγμα πλαστικοποιημένων φύλλων χάλυβα μαζί, διασφαλίζοντας ότι υπάρχει ελάχιστο κενό αέρα μεταξύ τους. Ο πυρήνας των μετασχηματιστών τα τελευταία χρόνια αποτελείται πάντα από πλαστικοποιημένο ατσάλινο πυρήνα αντί για πυρήνες σιδήρου για τη μείωση των απωλειών λόγω του ρεύματος.

Υπάρχουν τρία μεγάλα σχήματα των ελασματοποιημένων χαλύβδινων φύλλων για να διαλέξετε, τα οποία είναι τα E, I και L.

Κατά τη στοίβαξη της ελασματοποίησης μαζί για να σχηματίσουν τον πυρήνα, στοιβάζονται πάντα με τέτοιο τρόπο ώστε οι πλευρές της άρθρωσης να εναλλάσσονται. Για παράδειγμα, τα φύλλα συναρμολογούνται ως εμπρόσθια όψη κατά την πρώτη συναρμολόγηση, θα είναι στραμμένα προς τα πίσω για την επόμενη συναρμολόγηση όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Αυτό γίνεται για να αποφευχθεί η μεγάλη απροθυμία στις αρθρώσεις.

Σπείρα

Κατά την κατασκευή ενός μετασχηματιστή, καθίσταται πολύ σημαντικό να προσδιορίσετε τον τύπο του μετασχηματιστή είτε ως προς τα πάνω είτε προς τα κάτω, καθώς αυτό καθορίζει τον αριθμό των στροφών που θα υπάρχουν στο πρωτεύον ή το δευτερεύον πηνίο.

Τύποι μετασχηματιστών:

Κυρίως υπάρχουν τρεις τύποι μετασχηματιστών τάσης.

1. Μετασχηματιστές Down Down

2. Βελτιωμένοι μετασχηματιστές

3. Μετασχηματιστές απομόνωσης

Οι μετασχηματιστές step-down είναι μετασχηματιστές που δίνουν μια μειωμένη τιμή της τάσης που εφαρμόζεται στο πρωτεύον πηνίο στο δευτερεύον πηνίο, ενώ για έναν μετασχηματιστή step up, ο μετασχηματιστής δίνει μια αυξημένη τιμή της τάσης που εφαρμόζεται στο πρωτεύον πηνίο, στο δευτερεύον σπείρα.

Οι μετασχηματιστές απομόνωσης είναι μετασχηματιστές που δίνουν την ίδια τάση που εφαρμόζεται στο πρωτεύον στο δευτερεύον και έτσι βασικά χρησιμοποιούνται για την απομόνωση ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

Από την παραπάνω εξήγηση, η δημιουργία ενός συγκεκριμένου τύπου μετασχηματιστή μπορεί να επιτευχθεί μόνο με το σχεδιασμό του αριθμού των στροφών σε καθένα από τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα πηνία για να δώσει την απαιτούμενη έξοδο, αυτό μπορεί έτσι να προσδιοριστεί από την αναλογία στροφών. Μπορείτε να διαβάσετε τον συνδεδεμένο οδηγό για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους διαφορετικούς τύπους μετασχηματιστών.

Λόγος στροφών μετασχηματιστή και εξίσωση EMF:

Ο λόγος στροφών μετασχηματιστή (n) δίνεται από την εξίσωση.

n = Np / Ns = Vp / Vs

όπου n = αναλογία στροφών

Np = Αριθμός στροφών στο πρωτεύον πηνίο

Ns = Αριθμός στροφών στο δευτερεύον πηνίο

Vp = Τάση που εφαρμόζεται στο πρωτεύον

Vs = Τάση στο δευτερεύον

Αυτές οι σχέσεις που περιγράφονται παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό κάθε παραμέτρου στην εξίσωση.

Ο παραπάνω τύπος είναι γνωστός ως δράση τάσης μετασχηματιστών.

Αφού είπαμε ότι η δύναμη παραμένει η ίδια μετά τον μετασχηματισμό τότε.

Αυτός ο τύπος παραπάνω αναφέρεται ως τρέχουσα ενέργεια του μετασχηματιστή. Αυτό χρησιμεύει ως απόδειξη ότι ο μετασχηματιστής όχι μόνο μετατρέπει την τάση αλλά και μετατρέπει το ρεύμα.

Εξίσωση EMF:

Ο αριθμός στροφών του πηνίου οποιουδήποτε από το πρωτεύον ή το δευτερεύον πηνίο καθορίζει την ποσότητα ρεύματος που προκαλεί ή προκαλείται από αυτό. Όταν το ρεύμα που εφαρμόζεται στο πρωτογενές μειώνεται, η ισχύς του μαγνητικού πεδίου μειώνεται και το ίδιο για το ρεύμα που προκαλείται στη δευτερεύουσα περιέλιξη.

E = N (dΦ / dt)

Το ύψος της τάσης που προκαλείται στη δευτερεύουσα περιέλιξη δίνεται από την εξίσωση:

Όπου N είναι ο αριθμός στροφών στη δευτερεύουσα περιέλιξη.

Καθώς η ροή μεταβάλλεται ημιτονοειδώς, η μαγνητική ροή Φ = Φ _max sinwt

έτσι

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

Η αρχική τετραγωνική τιμή του Induced Emf λαμβάνεται διαιρώντας τη μέγιστη τιμή του emf με √2

Αυτή η εξίσωση είναι γνωστή ως εξίσωση μετασχηματιστών EMF.

Πού: Ν είναι ο αριθμός στροφών στην περιέλιξη πηνίου

f είναι η συχνότητα ροής σε hertz

Φ είναι η πυκνότητα μαγνητικής ροής στο Weber

Με τον καθορισμό όλων αυτών των τιμών, ο μετασχηματιστής μπορεί έτσι να κατασκευαστεί.

Ηλεκτρική ισχύς

Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, οι μετασχηματιστές δημιουργήθηκαν για να διασφαλίσουν ότι η αξία της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στους σταθμούς παραγωγής παραδίδεται σε τελικούς χρήστες με μικρή ή καθόλου απώλεια, έτσι σε έναν ιδανικό μετασχηματιστή, η ισχύς στην έξοδο (δευτερεύουσα περιέλιξη) είναι πάντα η ίδια με η ισχύς εισόδου. Οι μετασχηματιστές αναφέρονται επομένως ως συσκευές σταθερής ισχύος, ενώ ενδέχεται να αλλάξουν τις τιμές τάσης και ρεύματος, γίνεται πάντα με τέτοιο τρόπο ώστε η ίδια ισχύς στην είσοδο να είναι διαθέσιμη στην έξοδο.

Ετσι

P _s = P _σελ

όπου το Ps είναι η δύναμη στο δευτερεύον και το Pp είναι η δύναμη στο πρωτεύον.

Δεδομένου ότι P = IvcosΦ τότε I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Αποδοτικότητα ενός μετασχηματιστή

Η απόδοση ενός μετασχηματιστή δίνεται από την εξίσωση.

Απόδοση = (ισχύς εξόδου / ισχύς εισόδου) * 100%

Ενώ η ισχύς ενός μετασχηματιστή Ideal πρέπει να είναι ίδια με την είσοδο ισχύος, οι περισσότεροι μετασχηματιστές απέχουν πολύ από τον μετασχηματιστή Ideal και αντιμετωπίζουν απώλειες λόγω πολλών παραγόντων.

Μερικές από τις απώλειες που μπορεί να αντιμετωπίσει ένας μετασχηματιστής παρατίθενται παρακάτω.

1. Απώλειες χαλκού

2. Απώλειες υστέρησης

3. Τρέχουσες απώλειες Eddy

1. Απώλειες χαλκού

Αυτές οι απώλειες μερικές φορές αναφέρονται ως απώλειες εκκαθάρισης ή απώλειες I ² R. Αυτές οι απώλειες συνδέονται με την ισχύ που αποβάλλεται από τον αγωγό που χρησιμοποιείται για την περιέλιξη όταν το ρεύμα διέρχεται μέσω αυτού λόγω της αντίστασης του αγωγού. Η αξία αυτής της απώλειας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο.

P = I ² R

2. Απώλειες υστέρησης

Πρόκειται για απώλεια που σχετίζεται με την απροθυμία των υλικών που χρησιμοποιούνται για τον πυρήνα του μετασχηματιστή. Καθώς το εναλλασσόμενο ρεύμα αντιστρέφει την κατεύθυνσή του, έχει αντίκτυπο στην εσωτερική δομή του υλικού που χρησιμοποιείται για τον πυρήνα καθώς τείνει να υποστεί φυσικές αλλαγές που καταναλώνουν επίσης μέρος της ενέργειας

3. Τρέχουσες απώλειες Eddy

Πρόκειται για μια απώλεια που συνήθως κατακτάται από τη χρήση πλαστικοποιημένων λεπτών φύλλων χάλυβα. Η απώλεια ρεύματος Eddy προκύπτει από το γεγονός ότι ο πυρήνας είναι επίσης αγωγός και θα προκαλέσει ένα emf στο δευτερεύον πηνίο. Τα ρεύματα που προκαλούνται στον πυρήνα σύμφωνα με τη σημερινή νομοθεσία θα αντιτίθενται στο μαγνητικό πεδίο και θα οδηγήσουν στη διάλυση της ενέργειας.

Λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση αυτών των απωλειών στους υπολογισμούς απόδοσης του μετασχηματιστή, έχουμε.

Απόδοση = (ισχύς εισόδου - απώλειες / ισχύς εισόδου) * 100% Όλες οι παράμετροι εκφράζονται σε μονάδες ισχύος.