Hogyan növeli vagy csökkenti a feszültséget a transzformátor?

A transzformerek az AC feszültséget növelik vagy csökkentik elektromágneses indukcióval . A kimeneti feszültségük főként a primer tekercs és a szekunder tekercs menetszámainak arányától függ.

Ha a szekunder tekercsnek több menete van, mint a primernek, a transzformert feszültségemelőként működtetik. Ha kevesebb menete van, akkor feszültségcsökkentőként.

Bár az elv egyszerű, egy gyakorlati transzformert a szükséges áramerősségre, teljesítményre, frekvenciára, szigetelésre, hőmérséklet-emelkedésre, hatásfokra és alkalmazandó biztonsági szabványokra is tervezni kell.

Mi az a Transzformátor ?

Egy transzformátor egy passzív villamos berendezés, amely energiát továbbít két vagy több tekercs között egy változó mágneses mezőn keresztül.

Egy hagyományos elválasztó transzformátor három fő részből áll:

• Elsődleges tekercs: csatlakozik a bemeneti tápegységhez
• Szekunder tekercselés: feszültséget szolgáltat a terhelésnek
• Mágneses mag: alacsony reluktancia-útvonalat biztosít az váltakozó mágneses fluxus számára

A primer és szekunder tekercsek általában elektromosan elvannak választva, de mágnesesen csatolódnak egymáshoz a magon keresztül. Ez az elválasztás javíthatja az elektromos biztonságot, és megakadályozhatja a közvetlen vezetőképes kapcsolatot a bemenet és a kimenet között.

Azonban nem minden transzformátor biztosít elválasztást. Egy autotranszformátor , például, egy közös tekercset használ, ezért nem nyújt ugyanazt a galvanikus elválasztást.

Hogyan működik a transzformátor?

A transzformátor működése a Faraday elektromágneses indukció törvényén alapul egy tekercsen átmenő változó mágneses fluxus elektromotoros erőt indukál a tekercs két végén.

A folyamat három szakaszban érthető meg.

1. Az elsődleges tekercs mágneses fluxust állít elő

Amikor váltófeszültséget kapcsolnak az elsődleges tekercsre, váltóáram jön létre. Ez az áram változó mágneses fluxust hoz létre a transzformátor magjában.

2. A mag összekapcsolja a mágneses fluxust

A mágneses mag a változó fluxus legnagyobb részét mindkét tekercsen át irányítja. A mag anyagát és kialakítását úgy választják meg, hogy hatékony mágneses csatolást biztosítsanak, miközben korlátozzák az örvényáram- és hiszterézis-veszteségeket.

3. A másodlagos tekercs feszültséget fejleszt ki

Mivel a változó magfluxus áthalad a másodlagos tekercsen, feszültséget indukál benne. Az indukált feszültség növekszik a másodlagos tekercs menetszáma szerint.

Ez az összefüggés közvetlenül következik Faraday törvényéből, és alapját képezi a feszültségnövelő és feszültségszabályozó transzformátorok működésének. OpenStax University Physics részletes levezetést ad a transzformátor-egyenletekre.

A Transzformátor Fordulatszám-arány képlete

Ideális transzformátor esetén:

Vs / Vp = Ns / Np

Ahol:

• Vp = primer bemeneti feszültség
• Vs = szekunder kimeneti feszültség
• Np = a primer tekercs menetszáma
• Ns = a szekunder tekercs menetszáma

A feszültségarány tehát megegyezik a tekercsmenet-aránytal.

Feszültségemelő transzformátor

A transzformátor feszültségnövelő működését akkor éri el, ha:

Ns > Np

Ezért:

Vs > Vp

A szekunder tekercs több menetből áll, mint a primer tekercs, ezért a szekunder feszültség nagyobb, mint a primer feszültség.

Leszálló transzformátor

Egy transzformátor feszültséglejtést végez, ha:

Ns < Np

Ezért:

Vs < Vp

A szekunder tekercs kevesebb menetből áll, mint a primer tekercs, ezért a szekunder feszültség kisebb, mint a primer feszültség.

Egy-egy szigetelő transzformátor

Amikor a primer és a szekunder tekercsek közel azonos számú menetből állnak:

Ns = Np

Ezért:

Vs ≈ Vp

A kimeneti feszültség közelítőleg egyenlő a bemeneti feszültséggel.

Gyakorlati feszültségcsökkentő transzformátor példa

Tegyük fel, hogy egy transzformátornak 230 V-os váltóáramot kell 24 V-os váltóárammá alakítania.

A szükséges menetszám-arány:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Ha az elsődleges tekercsnek 1000 menete van:

Ns = 1000 × 0,104

Ns ≈ 104 menet

Ezért az ideális szekunder tekercsnek körülbelül 104 menete lenne.

Gyakorlati transzformátor esetén a gyártó további szekunder meneteket adhat hozzá a tekercselés ellenállásának és terhelés alatti feszültségesésnek a kiegyenlítésére.

Gyakorlati feszültségnövelő transzformátor példa

Tegyük fel, hogy egy transzformátornak 120 V-os váltóáramot kell 240 V-os váltóárammá emelnie.

A szükséges menetszám-arány:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Ha a primer tekercsnek 500 menete van:

Ns = 500 × 2

Ns = 1000 menet

Ezért a szekunder tekercsnek körülbelül kétszer annyi menetre van szüksége, mint a primer tekercsnek.

Mi történik az árammal?

A transzformátor az áramot a feszültséggel ellentétes irányban változtatja.

Az ideális transzformátor esetében a bemeneti teljesítmény egyenlő a kimeneti teljesítménnyel:

Vp × Ip = Vs × Is

Ahol:

• Vp = Primer feszültség
• Ip = Primer áram
• Vs = Szekunder feszültség
• Is = Szekunder áram

Az áramarány:

Is / Ip = Np / Ns

Ezért:

• Feszültségnövelő transzformátor: a feszültség nő, és a rendelkezésre álló áram csökken.
• Feszültséglecsökkentő transzformátor: a feszültség csökken, és a rendelkezésre álló áram nő.

A transzformátor nem hoz létre további energiát. Egy valóságos transzformátor kimeneti teljesítménye kissé alacsonyabb, mint a bemeneti teljesítménye, mivel rézveszteség, magveszteség és egyéb veszteségek lépnek fel.

Miért használ a kisfeszültségű tekercselés vastagabb vezetéket?

Egy feszültséglecsökkentő transzformátor szekunder tekercselése általában nagyobb áramot visz, mint az elsődleges tekercselése. Ezért általában vastagabb vezetékre van szükség.

A vezeték méretét a következők szerint kell kiválasztani:

• RMS áram
• Megengedett áramsűrűség
• Tekercselés hőmérséklete
• Környezeti hőmérséklet
• Szolgálati ciklus
• Hűtési körülmények
• Feszültségvédelmi vastagság
• Rendelkezésre álló tekercselési tér

Túl vékony vezeték használata növeli az ellenállást, a feszültségesést, a rézveszteséget és a tekercselés hőmérsékletét. A túlzott hőmérséklet rövidítheti az izoláció élettartamát, és biztonsági kockázatot jelenthet.

Egy feszültségemelő transzformátorban a magasabb feszültségű tekercselés általában vékonyabb vezetékből több menetet tartalmaz, mert kisebb áramot visz. A pontos vezetőméret továbbra is mérnöki számítást igényel.

Miért használnak transzformátorokat az energiaátvitelhez?

Adott átvitt teljesítmény esetén a feszültség növelése csökkenti az áramot:

I = P / V

Ahol:

• I = Áram
• P = Teljesítmény
• V = Feszültség

Amikor a feszültség nő, az azonos teljesítmény átviteléhez szükséges áram csökken.

Mivel az áram a képletben négyzetes tagként szerepel, az áram csökkentése jelentősen csökkentheti a vezető melegedését és az átviteli veszteséget.

Ezért az energiarendszerek feszültségemelő transzformátorokat használnak a generátor feszültségének növelésére hosszú távolságú átvitel céljából. A felhasználási pont közelében feszültségcsökkentő transzformátorok csökkentik a feszültséget a megfelelő elosztási és felhasználási szintekre. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma hasonlóan magyarázza, hogy a nagyfeszültségű átvitel csökkenti a szükséges áramot és csökkenti a vezetékveszteséget. U.S. Department of Energy

Működhet-e egy transzformátor egyenáramon?

Egy hagyományos transzformátor változó mágneses fluxusra van szüksége, ezért nem képes folyamatosan átalakítani a stabil egyenáramú feszültséget.

Ha stabil egyenáramot vezetünk közvetlenül egy szokásos transzformátor tekercsére:

• A kezdeti átmeneti folyamat után nincs folyamatos transzformátor-hatás.
• A tekercsáram veszélyesen magas értéket is elérhet.
• A mag telítődhet.
• A tekercs túlmelegedhet vagy meghibásodhat.

Az elektronikus tápegységek átalakíthatják az egyenáramú feszültséget úgy, hogy először vezérelt frekvencián kapcsolják. Az így létrejövő váltakozó jel alakzat ezután működtethet egy nagyfrekvenciás transzformátort vagy csatolt induktort. Így működnek sok flyback-, forward-, push-pull-, félig hidrás és teljes hidrás konverter.

A fontos megkülönböztetés az, hogy egy hagyományos transzformátor nem alakítja át közvetlenül a stabil egyenáramot; az egyenáramot először elektronikusan kapcsolni kell.

Ideális egyenletek vs. valós transzformátor-teljesítmény

A menetarány-egyenlet egy ideális transzformátor leírását adja meg. A valóságos transzformátorok veszteségekkel és feszültségesésesekkel járnak.

Rézveszteség

Egy vezetőben fellépő ellenállási teljesítményveszteség:

Teljesítményveszteség = I² × R

A maximális WordPress-kompatibilitás érdekében ezt így is felírhatjuk:

Teljesítményveszteség = I × I × R

Ahol:

• I = A vezetőn átfolyó áram
• R = A vezető ellenállása

Mivel az áram ebben a számításban négyzetre van emelve, az áram csökkentésével jelentősen csökkenthetők a távvezeték-veszteségek.

Magveszteség

Váltakozó mágneses mező okozza a magban a hiszterézis- és örvényáram-veszteségeket. A magveszteséget befolyásolja:

• Mag anyaga
• A működési gyakoriság
• Alkalmazott feszültség
• Elsődleges menetszám
• Mag keresztmetszeti területe
• Mágneses fluxussűrűség
• Laminált vastagság

Szóródási fluxus

Nem minden mágneses fluxus kapcsolódik mindkét tekercshez. A szóródási fluxus hatással van a feszültségszabályozásra, és elektromágneses interferenciát is okozhat.

Üres terhelésű áram

Még akkor is, ha a másodlagos oldalon nincs terhelés, az elsődleges oldal áramot vesz fel a mag gerjesztéséhez és a mag veszteségeinek fedezéséhez.

A hőmérséklet emelkedése

A réz- és a magveszteségek hőt termelnek. Egy transzformátornak a megadott terhelés és környezeti feltételek mellett a szigetelési rendszerének hőmérsékleti korlátain belül kell maradnia.

Feszültség szabályozás

A kimeneti feszültség általában csökken a terhelésmentes és a teljes terhelés közötti állapotok között az internal impedancia miatt.

A feszültségszabályozást így fejezhetjük ki:

Feszültségszabályozás (%) = [(Vterhelésmentes − Vteljes terhelés) / Vteljes terhelés] × 100

Ezért a gyártók a terhelésmentes másodlagos feszültséget néhány százalékkal a névleges kimeneti feszültség fölé tervezhetik.

A frekvencia befolyásolja-e a transzformátor tervezését?

Igen. A frekvencia kritikus tervezési paraméter.

Szinuszos jelalak esetén az egy tekercsre jutó közelítő effektív feszültség a frekvenciától, a menetszámtól, a mag keresztmetszetétől és a maximális mágneses fluxussűrűségtől függ az alábbi képlet szerint:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Ahol:

• V = a tekercs effektív feszültsége
• f = a működési frekvencia hertzben
• N = a tekercs menetszáma
• A = a mag hatékony keresztmetszete
• Bmax = a maximális mágneses fluxussűrűség

Egy 60 Hz-es transzformátort nem szabad automatikusan 50 Hz-en ugyanazzal a feszültséggel üzemeltetni. Az alacsonyabb frekvencia növelheti a mágneses fluxussűrűséget, ami mag-szaturációt, túlzott áramfelvételt, zajt és túlmelegedést eredményezhet.

A gyártónak ismernie kell a tényleges bemeneti frekvenciát és feszültségtartományt a tervezés véglegesítése előtt.

Hogyan adjunk meg egy feszültségnövelő vagy feszültséglecsökkentő transzformátort

Egy szakmai transzformátor-meghatározásnak többet kell tartalmaznia, mint csak a bemeneti és kimeneti feszültséget.

Adja meg az alábbi információkat a tervezés vagy árajánlat kérésekor:

• Nominális bemeneti feszültség
• Minimális és maximális bemeneti feszültség
• Bemeneti gyakoriság
• Szükséges kimeneti feszültség vagy feszültségek
• Folyamatos kimeneti áram
• Csúcsáram és időtartama
• Típus terhelés
• Szükséges VA-érték
• Szolgálati ciklus
• Maximális méretek
• A szerelési módszer
• Kábelvezetékek vagy csatlakozók követelményei
• Környezeti hőmérséklet
• Hűtési és házolási feltételek
• A megengedett maximális hőmérséklet-emelkedés
• Szigetelő osztály
• Szigetelési-erősség követelményei
• Szükséges elektrosztatikus vagy mágneses árnyékolás
• Hőbiztosíték vagy hővédelmi berendezés követelményei
• Célország vagy piac
• Alkalmazandó biztonsági és környezeti követelmények
• Becsült gyártási mennyiség

A teljes üzemeltetési feltételek megadása segít elkerülni a helytelen méretezést, és javítja a feszültségszabályozást, a megbízhatóságot és az élettartamot.

Gyakran Ismételt Kérdések

Növel-e egy feszültségnövelő transzformátor teljesítményt?

Nem. Egy feszültségnövelő transzformátor növeli a feszültséget, de csökkenti a rendelkezésre álló áramerősséget. Kimeneti teljesítménye mindig kissé alacsonyabb, mint bemeneti teljesítménye, mert egy valós transzformátornak réz-, vasmag- és egyéb veszteségei vannak.

Biztosan nagyobb áramerősséget szolgáltat-e egy feszültségleeresztő transzformátor?

Ugyanazon körülbelüli teljesítményszint mellett magasabb névleges másodlagos áramot tud szolgáltatni, de a tényleges áramot a csatlakoztatott terhelés és a transzformátor névleges teljesítménye határozza meg. Egy transzformátor nem kényszeríti a maximális áramát a terhelésbe.

Össze vannak-e kötve az elsődleges és a másodlagos tekercsek?

Az elválasztó transzformátorban azok elektromosan elkülönülnek, és a mágneses magon keresztül kapcsolódnak össze. Az autotranszformátorban a tekercs egy része közös, így nincs megfelelő galvanikus elválasztás.

Egyetlen transzformátor több kimeneti feszültséget is szolgáltathat?

Igen. Egy transzformátor több másodlagos tekercset, középpontosan leágaztatott tekercset vagy tekercsleágazásokat használhat különböző feszültségkimenetek biztosítására.

Hogyan számíthatom ki a transzformátor VA értékét?

Egyszerű, egyetlen másodlagos tekercses váltakozóáramú transzformátor esetén:

VA = Vs × Is

Ahol:

• VA = A transzformátor látszólagos teljesítményének névleges értéke
• Vs = Névleges másodlagos feszültség
• Iₛ = Névleges szekunder áram

Példaként:

Szekunder feszültség = 24 V AC
Szekunder áram = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Több szekunder tekercs esetén a szükséges összes VA-t a kombinált tekercsterhelések alapján kell kiszámítani, figyelemmel a terhelés típusára, üzemmódra, hatásfokra, feszültségszabályozásra, egyenirányításra és hőmérséklet-emelkedésre.

Egyedi feszültségnövelő és feszültséglecsökkentő transzformátorok a Dingxin-től

A Dingxin egyedi transzformátorokat gyárt, többek között európai piacra szánt ügyfeleknek és berendezéseknek szóló transzformátoros megoldásokat is kínál.

A transzformátorok az előírt villamos, mechanikai, hőmérsékleti és alkalmazási követelmények szerint fejleszthetők, ideértve:

• Egyedi bemeneti és kimeneti feszültségek
• Fokozatosan növelő és csökkentő kialakítások
• Több másodlagos tekercs
• EI- és toroid kialakítások
• 50 Hz-es és 60 Hz-es alkalmazások
• Egyedi VA-teljesítményértékek
• Kivezetési vezetékek, csatlakozók, rögzítőkonzolok és felszerelési lehetőségek
• Elektrosztatikus védőjel
• Hőfúzók és hővédelmi eszközök
• Alkalmazásspecifikus szigetelési rendszerek
• A vevő célpiacának követelményei alapján készült tervek

A végső megfelelőségi és tanúsítási követelményeket az építési folyamat során kell megerősíteni a transzformátor tervezése, a szándékolt berendezés és a célpiac szerint.

Egyedi transzformátor tervezés kérése

Szüksége van egy olyan transzformátorra, amelynek meghatározott feszültségaránya, teljesítményosztálya, mérete, hőmérsékletkorlátja vagy felszerelési módja van?

Küldje el a Dingxin számára az alábbi információkat:

1. Bemeneti feszültség és frekvencia
2. Szükséges kimeneti feszültség és áramerősség
3. Folyamatos és csúcs terhelési feltételek
4. Maximális méretek
5. Szerelési és Csatlakoztatási Követelmények
6. Működési hőmérséklet
7. Célpiac és megfelelőségi követelmények
8. Becsült rendelési mennyiség

Lépjen kapcsolatba a Dingxin-nel még ma, hogy technikai értékelést, egyedi transzformátor tervezést, mintát vagy árajánlatot kérjen.