Muuntajan perusteet

Muuntajat ovat yleensä laitteita, jotka pystyvät muuntamaan määrät yhdestä arvosta toiseen. Tässä artikkelissa keskitymme jännitemuuntajaan, joka on staattinen sähkökomponentti, joka pystyy muuntamaan vaihtojännitteen arvosta toiseen muuttamatta taajuutta käyttämällä sähkömagneettisen induktion periaatteita.

Yhdessä aiemmasta vaihtovirtaa käsittelevästä artikkelistamme mainitsimme, kuinka tärkeä muuntaja oli vaihtovirran historiassa. Se oli suurin mahdollistava tekijä, joka teki vaihtovirran mahdolliseksi. Alun perin DC-pohjaisia ​​järjestelmiä käytettäessä niitä ei voitu siirtää pitkiä matkoja johtuen tehohäviöistä etäisyyden (pituuden) kasvaessa, mikä tarkoittaa, että tasavirta-asemat oli sijoitettava kaikkialle, joten vaihtovirran päätavoite oli Lähetyskysymyksen ratkaisemiseksi ja ilman muuntajaa se ei olisi ollut mahdollista, koska häviöt olisivat edelleen olleet olemassa jopa AC: n kanssa.

Muuntajan ollessa paikallaan, AC voidaan lähettää generaattoreista erittäin suurella jännitteellä, mutta pienellä virralla, mikä eliminoi linjan (johdot) häviöt I ² R: n arvosta johtuen (mikä antaa linjan tehohäviön). Muuntaja käytetään sitten muuntaa korkea jännite, alhainen virta energiaa Matala jännite, suuri virta energian lopullista jakelua yhteisön sisällä muuttamatta taajuutta ja samalla teholla, joka on lähetetty voima-asema (P = IV).

Jännitemuuntajan ymmärtämiseksi on parasta käyttää sen yksinkertaistettua mallia, joka on yksivaiheinen muuntaja.

Yksivaiheinen muuntaja

Yksivaiheinen muuntaja on yleisin (käytössä olevien lukujen suhteen) jännitemuuntaja. Se on läsnä useimmissa "kytketyissä" laitteissa, joita käytämme kotona ja muualla.

Sitä käytetään kuvaamaan muuntajan toimintaperiaate, rakenne jne., Koska muut muuntajat ovat kuin yksivaiheisen muuntajan muunnelma tai muunnos. Jotkut ihmiset viittaavat esimerkiksi siihen, että kolmivaiheinen muuntaja koostuu kolmesta yksivaiheisesta muuntajasta.

Yksivaiheinen muuntaja koostuu kahdesta kelasta / käämisestä (ensisijainen ja toissijainen kela). Tämä kaksi käämiä on järjestetty siten, että niiden välillä ei ole sähköliitäntää, joten ne kierretään yhteisen magneettisen raudan ympärille, jota yleensä kutsutaan muuntajan sydämeksi, joten molemmilla keloilla on vain magneettinen yhteys niiden välillä. Tämä varmistaa, että teho välitetään vain sähkömagneettisen induktion kautta, ja tekee myös muuntajista hyödyllisiä eristävien yhteyksien yhteydessä.

Muuntajan toimintaperiaate:

Kuten aiemmin mainittiin, muuntaja koostuu kahdesta kelasta; ensisijainen ja toissijainen kelat. Ensisijainen kela edustaa aina muuntajan tuloa, kun taas toissijainen kela on muuntajan lähtö.

Muuntajan toiminta määrittelee kaksi päävaikutusta:

Ensimmäinen on se, että virta virtaa viiran läpi asetetaan ylös magneettikenttä kaapelin ympärille. Tuloksena olevan magneettikentän suuruus on aina suoraan verrannollinen langan läpi kulkevan virran määrään. Magneettikentän suuruus kasvaa, jos lanka käämitään kelanmuotoiseen muotoon. Tällä periaatteella primäärikäämi indusoi magnetismin. Soveltamalla jännitettä ensiökäämiön, se indusoi magneettikentän muuntajan sydämen ympärillä.

Toinen vaikutus, joka, kun se yhdistetään ensimmäisen selittää toimintaperiaate muuntaja, joka perustuu siihen, että, jos johdin on kierretty pala magneetin ja magneettikentän muutoksia, muutos magneettikenttä indusoi virran johdin, jonka suuruus määräytyy johtimen kelan kierrosten lukumäärän mukaan. Tämä on periaate, jolla sekundäärikäämi saa virtaa.

Kun primäärikäämiön kohdistetaan jännite, se luo magneettikentän ytimen ympärille, voimakkuus riippuu käytetystä virrasta. Luotu magneettikenttä indusoi siten sekundäärikäämin virran, joka on magneettikentän suuruuden ja toissijaisen kelan kierrosten lukumäärän funktio.

Tämä muuntajan toimintaperiaate selittää myös, miksi vaihtovirta oli keksittävä, koska muuntaja toimii vain, kun käytetyssä jännitteessä tai virrassa on vaihtelu, koska vasta sitten sähkömagneettiset induktioperiaatteet toimivat. Näin muuntaja ei voida käyttää DC sitten.

Muuntajan rakentaminen

Pohjimmiltaan muuntaja koostuu kahdesta osasta, jotka sisältävät; kaksi induktiivista kelaa ja laminoitu teräsydin. Käämit on eristetty toisistaan ​​ja myös eristetty estämään kosketus ytimeen.

Muuntajan rakennetta tarkastellaan siten kelan ja ytimen rakenteen alla.

Muuntajan ydin

Muuntajan ydin on aina rakennettu pinoamalla laminoituja teräslevyjä yhteen varmistaen, että niiden välillä on mahdollisimman pieni ilmarako. Muuntajien ydin on viime aikoina aina valmistettu laminoidusta teräsydimestä rautaytimien sijasta pyörrevirran aiheuttamien menetysten vähentämiseksi.

Laminoiduista teräslevyistä on valittavissa kolme päämuotoa, jotka ovat E, I ja L.

Kun pinoat laminointia yhdessä ytimen muodostamiseksi, ne pinotaan aina siten, että liitoksen sivut ovat vuorotellen. Esimerkiksi levyt kootaan etupuolella ensimmäisen kokoonpanon aikana, ne asetetaan taaksepäin seuraavaa kokoonpanoa varten alla olevan kuvan mukaisesti. Tämä tehdään estämään nivelten suuri haluttomuus.

Kela

Muuntajaa rakennettaessa on erittäin tärkeää määrittää muuntajan tyyppi joko ylös- tai alaspäin, koska tämä määrittää ensiö- tai toissijaisessa kelassa esiintyvien kierrosten lukumäärän.

Muuntajien tyypit:

Pääasiassa on olemassa kolmen tyyppisiä jännitemuuntajia;

1. Astu alas muuntajat

2. Tehosta muuntajia

3. Eristysmuuntajat

Alasmuuntajia ovat muuntajat, joka antaa alentuneen arvon jännitteen ensisijaisen käämin toisiokäämiin, kun taas askel ylöspäin muuntaja, muuntajan antaa arvon kasvuun kohdistetun jännitteen ensiökäämin, on toissijainen kela.

Eristysmuuntajat ovat muuntajia, jotka antavat saman jännitteen primäärille sekundäärissä ja joita siten käytetään periaatteessa sähköpiirien eristämiseen.

Edellä esitetystä selityksestä tietyn tyyppisen muuntajan luominen voidaan saavuttaa vain suunnittelemalla kullekin ensiö- ja toissijaiselle kelalle kierrosten määrä vaaditun ulostulon tuottamiseksi, mikä voidaan siten määrittää kierrosluvulla. Voit lukea linkitetyn opetusohjelman läpi saadaksesi lisätietoja erityyppisistä muuntajista.

Muuntajan kääntymissuhde ja EMF-yhtälö:

Muuntajan kierrosluku (n) saadaan yhtälöstä;

n = Np / Ns = Vp / Vs

missä n = kierrosluku

Np = kierrosten lukumäärä ensiökelassa

Ns = kierrosten lukumäärä toissijaisessa kelassa

Vp = ensisijaiseen jännite

Vs = Jännite toisiopuolella

Näitä yllä kuvattuja suhteita voidaan käyttää laskemaan yhtälön kukin parametri.

Yllä olevaa kaavaa kutsutaan muuntajien jännitetoiminnoksi.

Koska sanoimme, että voima pysyy samana muutoksen jälkeen;

Tätä yllä olevaa kaavaa kutsutaan muuntajan nykyiseksi toiminnoksi. Mikä toimii todisteena siitä, että muuntaja paitsi muuntaa jännitettä myös muuntaa virtaa.

EMF-yhtälö:

Kummankin ensiö- tai toissijaisen kelan kierteiden lukumäärä määrää sen indusoiman tai indusoiman virran määrän. Kun primääriin kohdistettua virtaa pienennetään, magneettikentän voimakkuus pienenee ja sama sekundäärikäämityksessä indusoidulle virralle.

E = N (dΦ / dt)

Toisiokäämin aiheuttaman jännitteen määrä saadaan yhtälöstä:

Missä N on sekundäärikäämityksen kierrosten määrä.

Koska virtaus vaihtelee sinimuotoisesti, magneettivuo Φ = Φ _max sinwt

täten

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

Indusoidun Emf: n neliöarvon keskiarvo saadaan jakamalla emf: n maksimiarvo √2: lla

Tätä yhtälöä kutsutaan muuntajien EMF-yhtälöksi.

Missä: N on käämityksen kierrosluku

f on vuon taajuus hertseinä

Φ on magneettivuon tiheys Weberissä

Kun kaikki nämä arvot on määritetty, muuntaja voidaan siten rakentaa.

Sähkövoima

Kuten aiemmin selitettiin, muuntajat luotiin varmistamaan, että voimalaitoksilla tuotetun sähköenergian arvo toimitetaan loppukäyttäjille vain vähän tai ei lainkaan menetyksiä, joten Ideal-muuntajassa teho lähdössä (toissijainen käämi) on aina sama kuin syöttöteho. Muuntajia kutsutaan täten vakiotehoisiksi laitteiksi, vaikka ne voivat muuttaa jännite- ja virta-arvoja, se tehdään aina siten, että sama teho tulossa on käytettävissä lähdössä.

Täten

P _s = P _s

missä Ps on teho toissijaisessa ja Pp on ensisijaisen teho.

Koska P = IvcosΦ, niin minä _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Muuntajan tehokkuus

Muuntajan tehokkuus annetaan yhtälöllä;

Tehokkuus = (lähtöteho / tuloteho) * 100%

Vaikka Ideal-muuntajan tehon tulisi olla sama kuin syötetty teho, useimmat muuntajat ovat kaukana Ideal-muuntajista ja kärsivät menetyksiä useista tekijöistä johtuen.

Jotkut häviöt, jotka muuntaja voi kokea, on lueteltu alla;

1. Kuparin tappiot

2. Hystereesihäviöt

3. pyörrevirtahäviöt

1. Kuparin tappiot

Näitä tappioita kutsutaan joskus käämitystappioiksi tai I ² R -häviöiksi. Nämä häviöt liittyvät käämitykseen käytetyn johtimen hävittämään tehoon, kun virta kulkee sen läpi johtimen vastuksen vuoksi. Tämän tappion arvo voidaan laskea kaavan avulla;

P = I ² R

2. Hystereesihäviöt

Tämä on muuntajan ytimessä käytettyjen materiaalien haluttomuuteen liittyvä menetys. Kun vaihtovirta kääntää suunnansa päinvastoin, sillä on vaikutusta sydämessä käytetyn materiaalin sisäiseen rakenteeseen, koska sillä on taipumus käydä läpi fyysisiä muutoksia, jotka myös kuluttavat osan energiasta

3. pyörrevirtahäviöt

Tämä on menetys, jonka tyypillisesti voittaa laminoitujen ohuiden teräslevyjen käyttö. Pyörrevirtahäviö johtuu siitä, että ydin on myös johdin ja indusoi emf: n sekundäärikäämin. Ytimessä indusoidut virrat nykypäivän lain mukaan vastustavat magneettikenttää ja johtavat energian haihtumiseen.

Näiden tappioiden vaikutus muuntajan hyötysuhdelaskelmiin on saatu;

Tehokkuus = (syöttöteho - häviöt / syöttöteho) * 100% Kaikki parametrit tehoyksikköinä ilmaistuna.