Трансформатор: 5 важни условия за най-добра ефективност

Трансформатор

Трансформаторът е просто електрическо устройство, което използва свойството на взаимна индукция, за да преобразува променливо напрежение от едно в друго с по-голяма или по-малка стойност.

първият с постоянен потенциал е изобретен през 1885 г, и оттогава се превърна в необходимост като основно устройство за предаване, разпределение и използване на променлив ток (AC).

Има различни видове трансформатори с различен дизайн, подходящи за различни електронни и електрически приложения. Техните размери варират от радиочестотно приложение с обем по-малък от кубичен сантиметър до огромни единици с тегло стотици тонове, използвани в електрическите мрежи.

корпус от DBZ дизайн трансформатор през 1885 г
Корпус от DBZ дизайн трансформатор през 1885 г, Image Credit – Zátonyi Sándor, (ако е), DBZ трафоCC BY-SA 3.0
трансформатор
трансформатори в електрическа подстанция, Image Credit – Allalone89Терминална гара Мелбърн, маркиран като обществено достояние, повече подробности за Wikimedia Commons

Те се използват най-широко при предаване и разпределение на енергия на дълги разстояния чрез засилване на изходното напрежение от трансформатор така че токът се намалява и впоследствие загубата на резистивна сърцевина е по-малко значителна, така че сигналът може да се прехвърля през разстоянията до подстанцията, съседни на консуматорите, където напрежението отново се намалява за по-нататъшно използване.

Основна структура и работа на трансформатора

Основната структура на трансформатора обикновено се състои от две намотки, навити около сърцевина от меко желязо, а именно първична и вторична намотки. Променливотоковото входно напрежение се прилага към първичната намотка, а изходното напрежение се наблюдава във вторичната страна. 

Както знаем, че индуциран емф или напрежение се генерира само когато потокът на магнитното поле се променя спрямо намотката или веригата, следователно, взаимна индуктивност между две намотки е възможно само с променливо, т.е. променящо се/AC напрежение, а не с директно, т.е. постоянно/DC напрежение.

работа на трансформатора и потока на утечки
Работа на трансформатор и поток на утечки
Кредит за изображение:моето аз, Трансформаторен потокCC BY-SA 3.0

- трансформаторите се използват за преобразуване на напрежението и текущите нива според съотношението на завъртанията на входната и изходната бобина. Завоите в първичната и вторичната намотка са Np И Ns, съответно. Нека Φ е потокът, свързан чрез първична и вторична намотки. Тогава,

Индуцирана ЕДС през първичната намотка,  image001 2 = image002

Индуцирана ЕДС през вторичната намотка, image003 2 = image004 2

От тези уравнения можем да свържем това  image005 3

Където символите имат следните значения:

 image006        

Мощност, P = IpVp = IsVs

Във връзка с предишните уравнения, image007 4

Така имаме Вs = (image008)Vи азs = image009 2 IP

За стъпка нагоре: Vs > Vp така че Нs>Np и азs<Ip

За оттегляне: Vs <Vp така че Нs < Нp и азs > Азp

Първична и вторична намотка в трансформатор

трансформатор
Първична и вторична намотка
Кредит на изображението: анонимен, Transformer3d colCC BY-SA 3.0

Горната връзка се основава на някои предположения, които са както следва:

  • Един и същ поток свързва както първични, така и вторични без изтичане на поток.
  • Вторичният ток е малък.
  • Първичното съпротивление и токът са незначителни.

Следователно ефективността на трансформатора не може да бъде 100%. Въпреки че една добре проектирана може да има ефективност до 95%. За по-висока ефективност трябва да се имат предвид основните четири причини за загуба на енергия в него.

Причина за загуба на енергия на трансформатора:

  • Изтичане на поток: Винаги има известно изтичане на поток, тъй като е почти невъзможно целият поток от първичния да премине към вторичния без никакъв теч.
  • Водовъртеж токове: Променливият магнитен поток ще предизвика вихрови токове в желязната сърцевина, което може да причини нагряване и следователно загуба на енергия. Те могат да бъдат сведени до минимум чрез използване на ламинирана желязна сърцевина.
  • Съпротивление в намотката: Енергията се губи под формата на разсейване на топлината през проводниците, но може да бъде сведена до минимум чрез използването на сравнително дебели проводници.
  • Хистерезис: Когато намагнитването на ядрото се обръща многократно от променливо магнитно поле, това води до разход или загуба на енергия от генерирането на топлина вътре в ядрото. Това може да бъде намалено чрез използване на материали с по-ниска загуба на магнитен хистерезис.

Ще изучаваме за Еди токS и Магнитен хистерезис подробно в следващите раздели.

За повече учебни материали, свързани с електрониката Натисни тук

Също прочетено: