Transformator: 5 ważnych warunków dla najlepszej wydajności

Transformator

Transformator to proste urządzenie elektryczne, które wykorzystuje właściwość wzajemnej indukcji do przekształcania napięcia przemiennego o większej lub mniejszej wartości z jednego na drugie.

Połączenia pierwszy stały potencjał został wynaleziony w 1885 rokui od tego czasu stało się koniecznością jako podstawowe urządzenie do przesyłu, dystrybucji i wykorzystania prądu przemiennego (AC).

Istnieją różne typy transformatorów o różnych konstrukcjach odpowiednich do różnych zastosowań w elektronice i elektroenergetyce. Ich rozmiary wahają się od zastosowań częstotliwości radiowych o objętości mniejszej niż centymetr sześcienny do ogromnych jednostek ważących setki ton używanych w sieciach energetycznych.

skorupa z transformatora konstrukcji DBZ w 1885 roku
Powłoka z transformatora konstrukcji DBZ w 1885 roku, Źródło zdjęcia - Zátonyi Sándor, (ifj.), Trafienie DBZCC BY-SA 3.0
transformator
transformatory w podstacji elektrycznej, źródło zdjęcia - Samotnie89Stacja Melbourne Terminal, oznaczony jako domena publiczna, więcej informacji na ten temat Wikimedia Commons

Są one najczęściej stosowane w przesyłaniu i dystrybucji energii na duże odległości poprzez zwiększenie napięcia wyjściowego z transformator tak, że prąd jest zmniejszony, a następnie rezystancyjna strata rdzenia jest mniej znacząca, dzięki czemu sygnał może być przesyłany na odległości do podstacji sąsiadującej z odbiornikami, gdzie napięcie jest ponownie obniżane w celu dalszego wykorzystania.

Podstawowa budowa i działanie transformatora

Podstawowa konstrukcja transformatora składa się zazwyczaj z dwóch cewek nawiniętych wokół miękkiego rdzenia żelaznego, a mianowicie cewek pierwotnych i wtórnych. Napięcie wejściowe AC jest podawane na cewkę pierwotną, a napięcie wyjściowe AC jest obserwowane po stronie wtórnej. 

Jak wiemy, indukowane emf lub napięcie jest generowane tylko wtedy, gdy strumień pola magnetycznego zmienia się w stosunku do cewki lub obwodu, stąd wzajemna indukcyjność między dwiema cewkami jest możliwe tylko przy przemiennym, tj. napięciu zmiennym/AC, a nie przy stałym, tj. stałym napięciu/DC.

działanie transformatora i strumienia upływu
Działanie transformatora i strumienia upływu
Źródło zdjęcia:Siebie, Strumień transformatoraCC BY-SA 3.0

Połączenia transformatory służą do transmutacji napięcia i poziomy prądu zgodnie ze stosunkiem zwojów cewki wejściowej do wyjściowej. Zwoje w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym to Np i Nsodpowiednio. Niech Φ będzie strumieniem połączonym przez cewki pierwotne i wtórne. Następnie,

Indukowane emf na cewce pierwotnej,  image001 2 = image002

Indukowany emf na cewce wtórnej, image003 2 = image004 2

Na podstawie tych równań możemy to odnieść  image005 3

Gdzie symbole mają następujące znaczenie:

 image006        

Moc, P = IpVp = IsVs

W odniesieniu do poprzednich równań, image007 4

Tak więc mamy Vs = (image008)Vi jas = image009 2 IP

Aby zwiększyć: Vs > Vp więc N.s>Np i jas<Ip

Aby zejść w dół: Vs <Vp więc N.s <Np i jas > Ip

Cewka pierwotna i wtórna w transformatorze

transformator
Uzwojenie pierwotne i wtórne
Źródło zdjęcia: anonimowy, Transformer3d kolCC BY-SA 3.0

Powyższa relacja opiera się na pewnych założeniach, które są następujące:

  • Ten sam strumień łączy zarówno pierwotne, jak i wtórne bez żadnego wycieku strumienia.
  • Prąd wtórny jest mały.
  • Pierwotny opór i prąd są pomijalne.

Dlatego sprawność transformatora nie może wynosić 100%. Chociaż dobrze zaprojektowany może mieć wydajność nawet do 95%. Aby uzyskać wyższą wydajność, należy pamiętać o czterech głównych przyczynach utraty energii.

Przyczyna utraty energii transformatora:

  • Wyciek strumienia: Zawsze występuje pewien wyciek strumienia, ponieważ prawie niemożliwe jest, aby cały strumień z pierwotnego przejścia do wtórnego bez żadnego wycieku.
  • wirowy prądy: Zmienny strumień magnetyczny będzie indukował prądy wirowe w żelaznym rdzeniu, co może powodować nagrzewanie, a tym samym utratę energii. Można je zminimalizować, stosując laminowany rdzeń żelazny.
  • Opór w uzwojeniu: Energia jest tracona w postaci rozpraszania ciepła przez druty, ale można ją zminimalizować poprzez zastosowanie stosunkowo grubych drutów.
  • Histereza: Kiedy namagnesowanie rdzenia jest wielokrotnie odwracane przez zmienne pole magnetyczne, powoduje to wydatek lub utratę energii przez wytwarzanie ciepła wewnątrz rdzenia. Można to zmniejszyć, stosując materiały o niższych stratach histerezy magnetycznej.

Będziemy się uczyć Prąd wirowysi Histereza magnetyczna szczegółowo w dalszych sekcjach.

Więcej materiałów do nauki związanych z elektroniką kliknij tutaj

Przeczytaj także: