Grundlagen des Transformators

Transformatoren sind im Allgemeinen Geräte, die Größen von einem Wert in den anderen umwandeln können. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf den Spannungswandler, eine statische elektrische Komponente, die Wechselspannung von einem Wert in einen anderen umwandeln kann, ohne die Frequenz nach den Prinzipien der elektromagnetischen Induktion zu ändern.

In einem unserer vorherigen Artikel zum Wechselstrom haben wir erwähnt, wie wichtig der Transformator in der Geschichte des Wechselstroms ist. Es war der Hauptaktivierer, der den Wechselstrom ermöglichte. Ursprünglich konnten DC-basierte Systeme aufgrund von Stromausfällen in den Leitungen mit zunehmender Entfernung (Länge) nicht über große Entfernungen übertragen werden, was bedeutet, dass DC-Kraftwerke überall platziert werden mussten, daher war das Hauptziel von AC Um das Übertragungsproblem zu lösen und ohne den Transformator, wäre dies nicht möglich gewesen, da die Verluste auch bei Wechselstrom noch vorhanden gewesen wären.

Wenn der Transformator installiert ist, könnte Wechselstrom von den Kraftwerken mit einer sehr hohen Spannung, aber einem niedrigen Strom übertragen werden, wodurch die Verluste in der Leitung (Drähte) aufgrund des Werts von I ² R (der den Leistungsverlust in einer Leitung ergibt) beseitigt werden.. Der Transformator wird dann verwendet, um die Hochspannungsenergie mit niedrigem Strom in Niederspannungsenergie mit hohem Strom für die endgültige Verteilung innerhalb einer Gemeinde umzuwandeln, ohne die Frequenz und die gleiche Leistung zu ändern, die vom Kraftwerk übertragen wurde (P = IV).

Um den Spannungswandler besser zu verstehen, ist es am besten, sein einfachstes Modell zu verwenden, nämlich den Einphasentransformator.

Einphasentransformator

Der Einphasentransformator ist die häufigste (in Bezug auf die Anzahl der verwendeten) Spannungswandlerart. Es ist in den meisten „angeschlossenen“ Geräten vorhanden, die wir zu Hause und überall sonst verwenden.

Es wird verwendet, um das Funktionsprinzip, den Aufbau usw. eines Transformators zu beschreiben, da andere Transformatoren einer Variation oder Modifikation des Einphasentransformators ähneln. Beispielsweise bezeichnen bestimmte Personen den Dreiphasentransformator als aus 3 Einphasentransformatoren bestehend.

Einphasentransformator besteht aus zwei Spulen / Wicklung (der Primär- und der Sekundärspule). Diese beiden Wicklungen sind so angeordnet, dass zwischen ihnen keine elektrische Verbindung besteht. Sie sind daher um ein gemeinsames magnetisches Eisen gewickelt, das allgemein als Transformatorkern bezeichnet wird. Daher haben die beiden Spulen nur eine magnetische Verbindung zwischen ihnen. Dies stellt sicher, dass die Energie nur über elektromagnetische Induktion übertragen wird, und macht die Transformatoren auch zum Trennen von Verbindungen nützlich.

Funktionsprinzip des Transformators:

Wie bereits erwähnt, besteht der Transformator aus zwei Spulen; die Primär- und die Sekundärspule. Die Primärspule repräsentiert immer den Eingang zum Transformator, während die Sekundärspule den Ausgang des Transformators darstellt.

Zwei Haupteffekte definieren den Betrieb des Transformators:

Das erste ist, dass ein Strom, der durch einen Draht fließt, ein Magnetfeld um den Draht erzeugt. Die Größe des resultierenden Magnetfelds ist immer direkt proportional zur Strommenge, die durch den Draht fließt. Die Stärke des Magnetfeldes wird erhöht, wenn der Draht in eine spulenartige Form gewickelt wird. Dies ist das Prinzip, mit dem Magnetismus durch die Primärspule induziert wird. Durch Anlegen einer Spannung an die Primärspule wird ein Magnetfeld um den Kern des Transformators induziert.

Der zweite Effekt, der in Kombination mit dem ersten das Funktionsprinzip des Transformators erklärt, basiert auf der Tatsache, dass, wenn ein Leiter um ein Magnetstück gewickelt wird und sich das Magnetfeld ändert, die Änderung des Magnetfelds einen Strom in induziert der Leiter, dessen Größe durch die Anzahl der Windungen der Leiterspule bestimmt wird. Dies ist das Prinzip, mit dem die Sekundärspule erregt wird.

Wenn eine Spannung an die Primärspule angelegt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld um den Kern, dessen Stärke vom angelegten Strom abhängt. Das erzeugte Magnetfeld induziert somit einen Strom in der Sekundärspule, der eine Funktion der Größe des Magnetfelds und der Anzahl der Windungen der Sekundärspule ist.

Dieses Funktionsprinzip des Transformators erklärt auch, warum der Wechselstrom erfunden werden musste, da der Transformator nur bei einer Änderung der angelegten Spannung oder des angelegten Stroms funktioniert, da nur dann die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion funktionieren. Daher konnte der Transformator dann nicht für Gleichstrom verwendet werden.

Aufbau des Transformators

Grundsätzlich besteht ein Transformator aus zwei Teilen, darunter: zwei Induktionsspulen und ein laminierter Stahlkern. Die Spulen sind voneinander isoliert und auch isoliert, um einen Kontakt mit dem Kern zu verhindern.

Der Aufbau des Transformators wird daher unter der Spulen- und Kernkonstruktion untersucht.

Transformatorkern

Der Kern des Transformators besteht immer aus dem Stapeln von laminierten Stahlblechen, um sicherzustellen, dass zwischen ihnen ein minimaler Luftspalt besteht. Der Transformatorkern besteht in letzter Zeit immer aus einem laminierten Stahlkern anstelle von Eisenkernen, um Verluste aufgrund von Wirbelstrom zu reduzieren.

Es stehen drei Hauptformen der laminierten Stahlbleche zur Auswahl: E, I und L.

Wenn die Laminierung zum Kern zusammengestapelt wird, werden sie immer so gestapelt, dass die Seiten der Verbindung abwechseln. Wenn beispielsweise die Bleche während der ersten Montage als Vorderseite montiert werden, werden sie für die nächste Montage wie in der folgenden Abbildung gezeigt mit der Vorderseite nach hinten montiert. Dies geschieht, um eine hohe Reluktanz an den Gelenken zu verhindern.

Spule

Beim Bau eines Transformators ist es sehr wichtig, den Transformatortyp entweder als Aufwärts- oder Abwärtsschritt anzugeben, da dies die Anzahl der Windungen bestimmt, die in der Primär- oder Sekundärspule vorhanden sind.

Arten von Transformatoren:

Hauptsächlich gibt es drei Arten von Spannungswandlern;

1. Abwärtstransformatoren

2. Transformatoren verstärken

3. Isolationstransformatoren

Die Abwärtstransformatoren sind Transformatoren, die einen reduzierten Wert der an die Primärspule an der Sekundärspule angelegten Spannung ergeben, während der Transformator bei einem Aufwärtstransformator einen erhöhten Wert der an die Primärspule an der Sekundärspule angelegten Spannung liefert Spule.

Trenntransformatoren sind Transformatoren, die die gleiche Spannung an die Primär- und Sekundärseite anlegen und somit im Wesentlichen zur Isolierung von Stromkreisen verwendet werden.

Aus der obigen Erklärung kann das Erzeugen eines bestimmten Transformatortyps nur erreicht werden, indem die Anzahl der Windungen in jeder der Primär- und Sekundärspulen so ausgelegt wird, dass die erforderliche Leistung erzielt wird. Dies kann somit durch das Windungsverhältnis bestimmt werden. Sie können das verknüpfte Tutorial lesen, um mehr über die verschiedenen Transformatortypen zu erfahren.

Transformator-Drehverhältnis und EMF-Gleichung:

Das Transformatorwindungsverhältnis (n) ist durch die Gleichung gegeben;

n = Np / Ns = Vp / Vs

wobei n = Windungsverhältnis ist

Np = Anzahl der Windungen in der Primärspule

Ns = Anzahl der Windungen in der Sekundärspule

Vp = an die Primärwicklung angelegte Spannung

Vs = Spannung an der Sekundärseite

Diese oben beschriebene Beziehung kann verwendet werden, um jeden der Parameter in der Gleichung zu berechnen.

Die obige Formel ist als Spannungswirkung des Transformators bekannt.

Da wir gesagt haben, bleibt die Kraft nach der Transformation dieselbe;

Diese obige Formel wird als Stromwirkung des Transformators bezeichnet. Dies dient als Beweis dafür, dass der Transformator nicht nur Spannung, sondern auch Strom umwandelt.

EMF-Gleichung:

Die Anzahl der Windungen der Spule der Primär- oder Sekundärspule bestimmt die Strommenge, die sie induziert oder von ihr induziert wird. Wenn der an die Primärwicklung angelegte Strom verringert wird, verringert sich die Stärke des Magnetfelds und das Gleiche gilt für den in der Sekundärwicklung induzierten Strom.

E = N (dΦ / dt)

Die in der Sekundärwicklung induzierte Spannungsmenge ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

Dabei ist N die Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung.

Da der Fluss sinusförmig variiert, ist der magnetische Fluss Φ = Φ _max sinwt

so

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

Der quadratische Mittelwert der induzierten EMK wird erhalten, indem der Maximalwert der EMK durch √2 geteilt wird

Diese Gleichung ist als EMF-Gleichung des Transformators bekannt.

Wobei: N die Anzahl der Windungen in der Spulenwicklung ist

f ist die Flussfrequenz in Hertz

Φ ist die magnetische Flussdichte in Weber

Wenn alle diese Werte bestimmt sind, kann der Transformator somit konstruiert werden.

Elektrische Energie

Wie bereits erläutert, wurden Transformatoren entwickelt, um sicherzustellen, dass der Wert der an den Kraftwerken erzeugten elektrischen Energie den Endbenutzern mit geringem oder keinem Verlust zugeführt wird. Daher ist bei einem idealen Transformator die Leistung am Ausgang (Sekundärwicklung) immer dieselbe wie die Eingangsleistung. Transformatoren werden daher als Geräte mit konstanter Leistung bezeichnet. Sie können zwar die Spannungs- und Stromwerte ändern, dies geschieht jedoch immer so, dass am Ausgang die gleiche Leistung am Eingang zur Verfügung steht.

So

P _s = P _p

Dabei ist Ps die Leistung an der Sekundärseite und Pp die Leistung an der Primärseite.

Da P = IvcosΦ, dann ist I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Effizienz eines Transformators

Der Wirkungsgrad eines Transformators ist durch die Gleichung gegeben;

Wirkungsgrad = (Ausgangsleistung / Eingangsleistung) * 100%

Während die Ausgangsleistung eines Ideal-Transformators mit der Leistungsaufnahme übereinstimmen sollte, sind die meisten Transformatoren weit vom Ideal-Transformator entfernt und erleiden aufgrund mehrerer Faktoren Verluste.

Einige der Verluste, die ein Transformator erleiden kann, sind nachstehend aufgeführt.

1. Kupferverluste

2. Hystereseverluste

3. Wirbelstromverluste

1. Kupferverluste

Diese Verluste werden manchmal als Wicklungsverluste oder I ² R-Verluste bezeichnet. Diese Verluste hängen mit der Verlustleistung des für die Wicklung verwendeten Leiters zusammen, wenn aufgrund des Widerstands des Leiters Strom durch ihn fließt. Der Wert dieses Verlustes kann unter Verwendung der Formel berechnet werden;

P = I ² R.

2. Hystereseverluste

Dies ist ein Verlust, der mit der Zurückhaltung der für den Kern des Transformators verwendeten Materialien zusammenhängt. Wenn der Wechselstrom seine Richtung umkehrt, wirkt er sich auf die innere Struktur des für den Kern verwendeten Materials aus, da er dazu neigt, physikalische Veränderungen zu erfahren, die auch einen Teil der Energie verbrauchen

3. Wirbelstromverluste

Dies ist ein Verlust, der typischerweise durch die Verwendung von laminierten dünnen Stahlblechen überwunden wird. Der Wirbelstromverlust ergibt sich aus der Tatsache, dass der Kern auch ein Leiter ist und eine EMK in der Sekundärspule induziert. Die nach dem heutigen Gesetz im Kern induzierten Ströme wirken dem Magnetfeld entgegen und führen zur Verlustleistung.

Wir haben den Effekt dieser Verluste in die Wirkungsgradberechnungen des Transformators einbezogen.

Wirkungsgrad = (Eingangsleistung - Verluste / Eingangsleistung) * 100% Alle Parameter in Leistungseinheiten.