Περιεχόμενο
- Υπολογισμός μετατροπής μετασχηματισμού
- Η κατασκευή ενός μετασχηματιστή
- Τύποι εφέ μετασχηματισμού
- Μετασχηματιστές στην πράξη
- Εξίσωση μετασχηματιστή στην αμοιβαία επαγωγή
Το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) στις περισσότερες συσκευές στο σπίτι σας μπορεί να προέρχεται μόνο από γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος που κατευθύνουν ρεύμα (DC) μέσω της χρήσης ενός μετασχηματιστή. Μέσω όλων των διαφορετικών τύπων ρεύματος που μπορεί να ρέει μέσω ενός κυκλώματος, βοηθάει να έχει τη δύναμη να ελέγχει αυτά τα ηλεκτρικά φαινόμενα. Για όλες τις χρήσεις τους στην αλλαγή της τάσης των κυκλωμάτων, οι μετασχηματιστές βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στην αναλογία στροφών τους.
Υπολογισμός μετατροπής μετασχηματισμού
Ένας μετασχηματιστής μετατρέπει την αναλογία είναι η κατανομή του αριθμού στροφών στην πρωτογενή περιέλιξη με τον αριθμό των στροφών στη δευτερεύουσα περιέλιξη από την εξίσωση ΤR = ΝΠ/ Nμικρό. Αυτή η αναλογία θα πρέπει επίσης να ισούται με την τάση του πρωτεύοντος τυλίγματος διαιρούμενη με την τάση του δευτερεύοντος τυλίγματος, όπως δίδεται από το VΠ/ Vμικρό. Το πρωτεύον τύλιγμα αναφέρεται στον ενεργό επαγωγέα, ένα στοιχείο κυκλώματος που επάγει ένα μαγνητικό πεδίο σε απόκριση της ροής φορτίου του μετασχηματιστή, και το δευτερεύον είναι το μη πυκνωμένο επαγωγέα.
Αυτές οι αναλογίες ισχύουν υπό την προϋπόθεση ότι η γωνία φάσης της πρωτεύουσας περιέλιξης ισούται με τις γωνίες φάσης του δευτερεύοντος από το εξίσωση ΦΠ = Φμικρό. Αυτή η γωνία πρωτογενούς και δευτερεύουσας φάσης περιγράφει πως το ρεύμα, το οποίο εναλλάσσεται μεταξύ των εμπρόσθιων και των αντίστροφων διευθύνσεων στις πρωτεύουσες και τις δευτερεύουσες περιελίξεις του μετασχηματιστή, είναι συγχρονισμένο το ένα με το άλλο.
Για πηγές εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως χρησιμοποιείται με μετασχηματιστές, η εισερχόμενη κυματομορφή είναι ημιτονοειδής, το σχήμα που παράγει ένα ημιτονοειδές κύμα. Ο λόγος μετασχηματισμού στροφών σας δείχνει πόσο μεταβάλλεται η τάση μέσω του μετασχηματιστή καθώς το ρεύμα περνά από τα πρωτογενή τυλίγματα στις δευτερεύουσες περιελίξεις.
Επίσης, σημειώστε ότι η λέξη "λόγος" σε αυτόν τον τύπο αναφέρεται σε a κλάσμα, όχι μια πραγματική αναλογία. Το κλάσμα του 1/4 είναι διαφορετικό από το λόγο 1: 4. Ενώ το 1/4 είναι ένα μέρος από ένα σύνολο που χωρίζεται σε τέσσερα ίσα μέρη, ο λόγος 1: 4 αντιπροσωπεύει ότι, για ένα από τα πράγματα, υπάρχουν τέσσερα από κάτι άλλο. Η "αναλογία" στην αναλογία μετατροπής μετασχηματιστή είναι ένα κλάσμα, όχι ένας λόγος, στον τύπο λόγου μετασχηματισμού.
Ο λόγος μετασχηματισμού αποκαλύπτει ότι η κλασματική διαφορά που λαμβάνει η τάση με βάση τον αριθμό των πηνίων που τυλίγονται γύρω από το πρωτεύον και δευτερεύον τμήμα του μετασχηματιστή. Ένας μετασχηματιστής με πέντε πρωτεύοντες πηνία περιελίξεως και 10 δευτερεύοντες πηνία περιελίξεως θα κόψει μια πηγή τάσεως κατά το ήμισυ όπως δίδεται με 5/10 ή 1/2.
Το αν η τάση αυξάνει ή μειώνεται ως αποτέλεσμα αυτών των σπειρών καθορίζει τον μετασχηματιστή βαθμιδωτού μετασχηματιστή ή τον μετασχηματιστή βαθμιαίας μετατόπισης με τον τύπο αναλογίας μετασχηματιστή. Ένας μετασχηματιστής που δεν αυξάνει ούτε μειώνει την τάση είναι ένας «μετασχηματιστής σύνθετης αντίστασης» που μπορεί είτε να μετρήσει την αντίσταση, να αντιδράσει ένα κύκλωμα με το ρεύμα είτε απλά να δείξει σπασίματα μεταξύ διαφορετικών ηλεκτρικών κυκλωμάτων.
Η κατασκευή ενός μετασχηματιστή
Τα βασικά συστατικά ενός μετασχηματιστή είναι τα δύο πηνία, πρωτογενή και δευτερεύοντα, τα οποία περιτυλίγονται γύρω από έναν πυρήνα σιδήρου. Ο σιδηρομαγνητικός πυρήνας ή ένας πυρήνας κατασκευασμένος από μόνιμο μαγνήτη ενός μετασχηματιστή χρησιμοποιεί επίσης λεπτές ηλεκτρικά μονωμένες φέτες έτσι ώστε αυτές οι επιφάνειες να μπορούν να μειώσουν την αντίσταση για το ρεύμα που διέρχεται από τα πρωτεύοντα πηνία στις δευτερεύουσες σπείρες του μετασχηματιστή.
Η κατασκευή ενός μετασχηματιστή θα σχεδιαστεί γενικά για να χάσει όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια. Επειδή όλη η μαγνητική ροή από τα πρωτεύοντα πηνία δεν περάσει στο δευτερεύον, θα υπάρξει κάποια απώλεια στην πράξη. Οι μετασχηματιστές θα χάσουν επίσης την ενέργεια λόγω δινορευτικά ρεύματα, εντοπισμένο ηλεκτρικό ρεύμα που προκαλείται από αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο σε ηλεκτρικά κυκλώματα.
Οι μετασχηματιστές παίρνουν το όνομά τους επειδή χρησιμοποιούν αυτή τη ρύθμιση ενός μαγνητικού πυρήνα με περιελίξεις σε δύο ξεχωριστά μέρη του για να μετατρέψουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μαγνητική ενέργεια μέσω της μαγνήτισης του πυρήνα από το ρεύμα μέσω των πρωτογενών τυλιγμάτων.
Στη συνέχεια, ο μαγνητικός πυρήνας προκαλεί ένα ρεύμα στα δευτερεύοντα περιελίσσους, το οποίο μετατρέπει την μαγνητική ενέργεια πίσω στην ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι οι μετασχηματιστές λειτουργούν πάντοτε σε μια εισερχόμενη πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος, μία που μετατρέπει τις κατευθύνσεις ρεύματος προς τα εμπρός και αντίστροφα σε τακτά χρονικά διαστήματα.
Τύποι εφέ μετασχηματισμού
Εκτός από την τάση ή τον αριθμό των τύπων πηνίων, μπορείτε να μελετήσετε τους μετασχηματιστές για να μάθετε περισσότερα για τη φύση των διαφόρων τύπων τάσης, ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, μαγνητικών πεδίων, μαγνητικής ροής και άλλων ιδιοτήτων που προκύπτουν από την κατασκευή ενός μετασχηματιστή.
Σε αντίθεση με μια πηγή τάσης η οποία ρεύμα s σε μία κατεύθυνση, ένα Πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος που αποστέλλεται μέσω του πρωτεύοντος πηνίου θα δημιουργήσει το δικό του μαγνητικό πεδίο. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως αμοιβαία επαγωγή.
Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου θα αυξηθεί στη μέγιστη τιμή του, η οποία είναι ίση με τη διαφορά στη μαγνητική ροή διαιρούμενη με μια χρονική περίοδο, dΦ / dt. Λάβετε υπόψη, σε αυτή την περίπτωση, Φ χρησιμοποιείται για να υποδείξει μαγνητική ροή, όχι γωνία φάσης. Αυτές οι γραμμές μαγνητικού πεδίου τραβιούνται προς τα έξω από τον ηλεκτρομαγνήτη. Οι κατασκευαστές μετασχηματιστών μηχανικών λαμβάνουν επίσης υπόψη τη σύνδεση ροής, η οποία είναι το προϊόν της μαγνητικής ροής Φ και τον αριθμό των πηνίων στο σύρμα Ν που προκαλείται από το μαγνητικό πεδίο που διέρχεται από το ένα πηνίο στο άλλο.
Η γενική εξίσωση για τη μαγνητική ροή είναι Φ = BAcosθ για μια επιφάνεια στην οποία περνά το πεδίο ΕΝΑ σε m2, μαγνητικό πεδίο σι στο Teslas και θ ως τη γωνία μεταξύ ενός κατακόρυφου διανύσματος προς την περιοχή και του μαγνητικού πεδίου. Για την απλή περίπτωση τυλιγμένων πηνίων γύρω από ένα μαγνήτη, η ροή δίνεται από Φ = ΝΒΑ για αριθμό σπειρών Ν, μαγνητικό πεδίο σι και σε μια συγκεκριμένη περιοχή ΕΝΑ μιας επιφάνειας που είναι παράλληλη με τον μαγνήτη. Ωστόσο, για έναν μετασχηματιστή, η σύνδεση ροής προκαλεί την μαγνητική ροή στο πρωτογενές τύλιγμα ίση με εκείνη του δευτερεύοντος τυλίγματος.
Σύμφωνα με Faradays Law, μπορείτε να υπολογίσετε την τάση που προκαλείται στις πρωτογενείς ή δευτερεύουσες περιελίξεις του μετασχηματιστή υπολογίζοντας Ν x dΦ / dt. Αυτό εξηγεί επίσης γιατί ο μετασχηματιστής μετατρέπει την αναλογία της τάσης ενός μέρους του μετασχηματιστή στο άλλο είναι ίση με τον αριθμό των σπειρών του ενός προς το άλλο.
Αν έπρεπε να συγκρίνετε το Ν x dΦ / dt από το ένα μέρος στο άλλο, το dΦ / dt θα ακυρωνόταν εξαιτίας και των δύο μερών που έχουν την ίδια μαγνητική ροή. Τέλος, μπορείτε να υπολογίσετε έναν μετασχηματιστή ampere-στροφές ως προϊόν των τωρινών χρόνων τον αριθμό των πηνίων ως μια μέθοδο μέτρησης της μαγνητίζουσας δύναμης του πηνίου
Μετασχηματιστές στην πράξη
Οι διανομές ισχύος αναθέτουν την ηλεκτρική ενέργεια από σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε κτίρια και σπίτια. Αυτές οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας ξεκινούν από τη μονάδα παραγωγής ενέργειας όπου μια ηλεκτρική γεννήτρια δημιουργεί ηλεκτρική ενέργεια από κάποια πηγή. Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα υδροηλεκτρικό φράγμα που εκμεταλλεύεται την ισχύ του νερού ή έναν αεριοστρόβιλο που χρησιμοποιεί καύση για τη δημιουργία μηχανικής ενέργειας από φυσικό αέριο και την μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια, δυστυχώς, παράγεται ως Τάση συνεχούς ρεύματος που πρέπει να μετατραπεί σε εναλλασσόμενη τάση για τις περισσότερες οικιακές συσκευές.
Οι μετασχηματιστές καθιστούν αυτή την ηλεκτρική ενέργεια χρήσιμη δημιουργώντας μονοφασικά τροφοδοτικά συνεχούς ρεύματος για τα νοικοκυριά και τα κτίρια από την εισερχόμενη ταλαντευόμενη τάση εναλλασσόμενου ρεύματος. Οι μετασχηματιστές κατά μήκος των ηλεκτρικών δικτύων διανομής εξασφαλίζουν επίσης ότι η τάση είναι ένα κατάλληλο ποσό για οικιακά ηλεκτρονικά και συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Τα δίκτυα διανομών χρησιμοποιούν επίσης "λεωφορεία" που χωρίζουν τη διανομή σε πολλαπλές κατευθύνσεις μαζί με τους διακόπτες κυκλώματος για να διατηρούν χωριστές διανομές διακριτές μεταξύ τους.
Οι μηχανικοί συχνά λαμβάνουν υπόψη την απόδοση των μετασχηματιστών χρησιμοποιώντας την απλή εξίσωση για αποδοτικότητα όπως _η = PΟ/ΠΕγώ _φάή την ισχύ εξόδου Π__Ο και την ισχύ εισόδου ΠΕγώ. Με βάση την κατασκευή των σχεδίων μετασχηματιστών, αυτά τα συστήματα δεν χάνουν ενέργεια στην τριβή ή στην αντίσταση του αέρα, επειδή οι μετασχηματιστές δεν περιλαμβάνουν κινούμενα μέρη.
Το ρεύμα μαγνητισμού, η ποσότητα ρεύματος που είναι απαραίτητη για τη μαγνητισμό του πυρήνα του μετασχηματιστή, είναι γενικά πολύ μικρή σε σύγκριση με το ρεύμα που προκαλεί το πρωτεύον τμήμα ενός μετασχηματιστή. Αυτοί οι παράγοντες σημαίνουν ότι οι μετασχηματιστές είναι συνήθως πολύ αποδοτικοί με απόδοση 95% και άνω για τα περισσότερα μοντέρνα σχέδια.
Αν επρόκειτο να εφαρμόσετε μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος στην πρωτεύουσα περιέλιξη ενός μετασχηματιστή, η μαγνητική ροή που προκαλείται στον μαγνητικό πυρήνα θα συνεχίσει να προκαλεί μια τάση εναλλασσόμενου ρεύματος στο δευτερεύον τύλιγμα στην ίδια φάση με την τάση πηγής. Η μαγνητική ροή στον πυρήνα, ωστόσο, παραμένει 90 ° πίσω από τη γωνία φάσης της τάσης πηγής. Αυτό σημαίνει ότι το κύριο ρεύμα περιελίξεων, το μαγνητικό ρεύμα, επίσης υστερεί πίσω από την πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος.
Εξίσωση μετασχηματιστή στην αμοιβαία επαγωγή
Εκτός από το πεδίο, τη ροή και την τάση, οι μετασχηματιστές απεικονίζουν τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα της αμοιβαίας επαγωγής που δίνουν περισσότερη ισχύ στις πρωτεύουσες περιελίξεις ενός μετασχηματιστή όταν γαντζώνονται σε μια ηλεκτρική παροχή.
Αυτό συμβαίνει ως αντίδραση πρωτογενών τυλίξεων σε μια αύξηση του φορτίου, κάτι που καταναλώνει ενέργεια, στις δευτερεύουσες περιελίξεις. Αν προσθέσατε ένα φορτίο στις δευτερεύουσες περιελίξεις μέσω μιας μεθόδου όπως η αύξηση της αντίστασης των συρμάτων του, τα πρωτογενή τυλίγματα θα αποκρίνονταν αντλώντας περισσότερο ρεύμα από την πηγή ισχύος για να αντισταθμίσουν αυτή τη μείωση. Αμοιβαία επαγωγή είναι το φορτίο που βάζετε στο δευτερεύον που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να υπολογίσετε την αύξηση του ρεύματος μέσω των πρωτογενών περιελίξεων.
Εάν γράψατε μια ξεχωριστή εξίσωση τάσης τόσο για την πρωτογενή όσο και για τη δευτερεύουσα περιέλιξη, θα μπορούσατε να περιγράψετε αυτό το φαινόμενο της αμοιβαίας επαγωγής. Για την πρωτογενή περιέλιξη, VΠ = ΙΠR1 + L1ΔΙΠ/ Δt - Μ ΔΙμικρό/ Δt, για το ρεύμα μέσω της πρωτεύουσας περιέλιξης ΕγώΠ, αντίσταση φορτίου πρωτεύοντος τυλίγματος R1, αμοιβαία επαγωγή Μ, πρωτογενής επαγωγή περιέλιξης μεγάλοΕγώ, δευτερεύουσα περιέλιξη Εγώμικρό και την αλλαγή του χρόνου Δt. Το αρνητικό σήμα μπροστά από την αμοιβαία επαγωγή Μ δείχνει ότι το ρεύμα πηγής αμέσως βιώνει μια πτώση της τάσης λόγω του φορτίου στο δευτερεύον τύλιγμα, αλλά, σε απόκριση, το πρωτεύον τύλιγμα αυξάνει την τάση του.
Αυτή η εξίσωση ακολουθεί τους κανόνες εγγραφής εξισώσεων που περιγράφουν πως το ρεύμα και η τάση διαφέρουν μεταξύ των στοιχείων του κυκλώματος. Για κλειστό ηλεκτρικό βρόχο, μπορείτε να γράψετε το άθροισμα της τάσης σε κάθε στοιχείο ως μηδέν για να δείξετε πώς πέφτει η τάση σε κάθε στοιχείο του κυκλώματος.
Για τα πρωτογενή τυλίγματα, γράφετε αυτή την εξίσωση για να υπολογίσετε την τάση των ίδιων των πρωτογενών τυλιγμάτων (ΕγώΠR1), η τάση που οφείλεται στο επαγόμενο ρεύμα του μαγνητικού πεδίου μεγάλο1ΔΙΠ/ Δt και η τάση λόγω της επίδρασης της αμοιβαίας επαγωγής από τα δευτερεύοντα τυλίγματα Μ ΔΙμικρό/ Δt.
Ομοίως, μπορείτε να γράψετε μια εξίσωση που περιγράφει τις πτώσεις τάσης στις δευτερεύουσες περιελίξεις ως Μ ΔI__Π/ Δt = ΙμικρόR2 + μεγάλο2ΔΙμικρό/ Δt. Αυτή η εξίσωση περιλαμβάνει το δευτερεύον ρεύμα περιέλιξης Εγώμικρό, επαγωγή δευτερεύουσας περιέλιξης μεγάλο2 και την αντίσταση φορτίου δευτερεύουσας περιέλιξης R2. Η αντίσταση και η αυτεπαγωγή επισημαίνονται με δείκτες 1 ή 2 αντί για Ρ ή S, αντίστοιχα, καθώς οι αντιστάσεις και οι επαγωγείς είναι συχνά αριθμημένες και δεν σημειώνονται με γράμματα. Τέλος, μπορείτε να υπολογίσετε την αμοιβαία επαγωγή από τους επαγωγείς απευθείας ως Μ = √L1L2.