Cum funcționează un transformator de putere pentru creșterea sau reducerea tensiunii?

Transformatoarele măresc sau reduc tensiunea alternativă prin inducție electromagnetică . Tensiunea lor de ieșire este determinată în principal de raportul dintre numărul de spire din înfășurarea primară și numărul de spire din înfășurarea secundară.

Dacă înfășurarea secundară are mai multe spire decât cea primară, transformatorul mărește tensiunea. Dacă înfășurarea secundară are mai puține spire, transformatorul reduce tensiunea.

Deși principiul este simplu, un transformator practic trebuie, de asemenea, proiectat pentru curentul necesar, puterea nominală, frecvența, izolația, creșterea de temperatură, eficiență și standardele de siguranță aplicabile.

Ce este o Transformator ?

Un transformator este un dispozitiv electric pasiv care transferă energie între două sau mai multe înfășurări prin intermediul unui câmp magnetic variabil.

Un transformator de izolare convențional conține trei părți principale:

• Înfășurarea primară: conectată la sursa de alimentare de intrare
• Înfășurarea secundară: furnizează tensiunea către sarcină
• Nucleu magnetic: asigură o cale cu reluctanță scăzută pentru fluxul magnetic alternativ

Înfășurările primară și secundară sunt, în mod normal, izolate electric, dar cuplate magnetic prin miez. Această izolare poate îmbunătăți siguranța electrică și poate preveni o conexiune conductivă directă între intrare și ieșire.

Totuși, nu fiecare transformator oferă izolare. Un autotransformator transformator autotransformator, de exemplu, utilizează o înfășurare comună și, prin urmare, nu oferă aceeași separare galvanică.

Cum funcționează un transformator?

Funcționarea transformatorului se bazează pe Legea inducției electromagnetice a lui Faraday . Un flux magnetic variabil care străbate o bobină induce o forță electromotoare în acea bobină.

Procesul poate fi înțeles în trei etape.

1. Înfășurarea primară produce flux magnetic

Când se aplică o tensiune alternativă la înfășurarea primară, aceasta generează un curent alternativ. Acest curent stabilește un flux magnetic variabil în miezul transformatorului.

2. Miezul realizează cuplarea fluxului magnetic

Miezul magnetic direcționează cea mai mare parte a fluxului magnetic variabil prin ambele înfășurări. Materialele și metodele de construcție ale miezului sunt alese pentru a asigura o cuplare magnetică eficientă, limitând în același timp pierderile prin curenți parazitari și prin histerezis.

3. Înfășurarea secundară dezvoltă o tensiune

Deoarece fluxul magnetic variabil traversează înfășurarea secundară, induce o tensiune pe această înfășurare. Tensiunea indusă crește odată cu numărul de spire secundare.

Această relație rezultă direct din legea lui Faraday și constituie baza atât a transformatoarelor de ridicare, cât și a celor de coborâre. OpenStax University Physics prezintă o deducere detaliată a ecuațiilor transformatorului.

The Transformator Formula raportului de spire

Pentru un transformator ideal:

Vs / Vp = Ns / Np

Unde:

• Vp = Tensiunea de intrare primară
• Vs = Tensiunea de ieșire secundară
• Np = Numărul de spire din înfășurarea primară
• Ns = numărul de spire din înfășurarea secundară

Raportul de tensiune este, așadar, egal cu raportul numărului de spire.

Transformator de creștere

Un transformator mărește tensiunea atunci când:

Ns > Np

Prin urmare:

Vs > Vp

Înfășurarea secundară are mai multe spire decât cea primară, astfel încât tensiunea secundară este mai mare decât cea primară.

Transformator coborâtor de tensiune

Un transformator micșorează tensiunea atunci când:

Ns < Np

Prin urmare:

Vs < Vp

Înfășurarea secundară are mai puține spire decât cea primară, astfel încât tensiunea secundară este mai mică decât cea primară.

Transformator izolator unu-la-unu

Când înfășurările primare și secundare au aproximativ același număr de spire:

Ns = Np

Prin urmare:

Vs ≈ Vp

Tensiunea de ieșire este aproximativ egală cu tensiunea de intrare.

Exemplu practic de transformator coborâtor

Să presupunem că un transformator trebuie să convertească 230 V CA în 24 V CA.

Raportul necesar de spire este:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0.104

Dacă înfășurarea primară are 1.000 de spire:

Ns = 1.000 × 0.104

Ns ≈ 104 spire

Prin urmare, înfășurarea secundară ideală ar avea aproximativ 104 spire.

Într-un transformator practic, producătorul poate adăuga spire suplimentare la înfășurarea secundară pentru a compensa rezistența înfășurărilor și căderea de tensiune sub sarcină.

Exemplu practic de transformator cu creștere de tensiune

Să presupunem că un transformator trebuie să mărească tensiunea de la 120 V CA la 240 V CA.

Raportul necesar de spire este:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Dacă înfășurarea primară are 500 de spire:

Ns = 500 × 2

Ns = 1.000 de spire

În consecință, înfășurarea secundară necesită aproximativ de două ori mai multe spire decât înfășurarea primară.

Ce se întâmplă cu curentul?

Un transformator modifică curentul în direcție opusă față de tensiune.

Pentru un transformator ideal, puterea de intrare este egală cu puterea de ieșire:

Vp × Ip = Vs × Is

Unde:

• Vp = Tensiunea primară
• Ip = Curentul primar
• Vs = Tensiunea secundară
• Is = Curentul secundar

Raportul de curenți este:

Is / Ip = Np / Ns

Prin urmare:

• Transformator de ridicare: tensiunea crește, iar curentul disponibil scade.
• Transformator de coborâre: tensiunea scade, iar curentul disponibil crește.

Un transformator nu creează energie suplimentară. Într-un transformator real, puterea de ieșire este ușor mai mică decât puterea de intrare din cauza pierderilor în cupru, a pierderilor în miez și a altor pierderi.

De ce înfășurarea de joasă tensiune folosește un fir mai gros?

Înfășurarea secundară a unui transformator de coborâre transportă, de obicei, un curent mai mare decât înfășurarea primară. Prin urmare, necesită, în mod obișnuit, un fir mai gros.

Dimensiunea conductorului trebuie aleasă în funcție de:

• Curentul eficace (RMS)
• Densitatea de curent permisă
• Temperatura înfășurării
• Temperatura ambiantă
• Ciclul de funcționare
• Condiții de răcire
• Grosimea izolației
• Spațiul disponibil pentru înfășurare

Utilizarea unui fir prea subțire crește rezistența, căderea de tensiune, pierderile în cupru și temperatura înfășurării. Temperatura excesivă poate scurta durata de viață a izolației și poate crea un risc pentru siguranță.

Într-un transformator de ridicare, înfășurarea de înaltă tensiune utilizează de obicei mai multe spire dintr-un fir mai subțire, deoarece transportă un curent mai mic. Dimensiunea exactă a conductorului necesită totuși un calcul ingineresc.

De ce se folosesc transformatoarele pentru transmiterea energiei electrice?

Pentru o putere transmisă dată, creșterea tensiunii reduce curentul:

I = P / V

Unde:

• I = Curentul
• P = Puterea
• V = Tensiunea

Când tensiunea crește, curentul necesar pentru a transmite aceeași putere scade.

Deoarece curentul este ridicat la pătrat în această ecuație, reducerea curentului poate reduce în mod semnificativ încălzirea conductorilor și pierderile de transmisie.

Sistemele de alimentare cu energie folosesc, prin urmare, transformatoare de ridicare pentru a mări tensiunea generată în vederea transmisiei pe distanțe lungi. În apropierea punctului de utilizare, transformatoarele de coborâre reduc tensiunea la niveluri adecvate pentru distribuție și utilizare. Departamentul american al Energiei explică, de asemenea, că transmisia înaltă tensiune reduce curentul necesar și diminuează pierderile pe linie. U.S. Department of Energy

Poate un transformator funcționa în curent continuu?

Un transformator convențional necesită un flux magnetic variabil și, prin urmare, nu poate transforma în mod continuu o tensiune continuă constantă.

Dacă se aplică direct o tensiune continuă constantă la înfășurarea unui transformator standard:

• Nu există o acțiune continuă de transformare după regimul tranzitoriu inițial.
• Curentul din înfășurare poate deveni periculos de mare.
• Nucleul poate ajunge în stare de saturație.
• Înfășurarea poate supraîncălzi sau poate ceda.

Alimentările electronice de putere pot converti tensiunea continuă (DC) prin comutarea acesteia, mai întâi, la o frecvență controlată. Forma de undă alternativă rezultată poate apoi alimenta un transformator de înaltă frecvență sau o bobină cuplată. Acesta este modul în care funcționează mulți convertoare flyback, forward, push-pull, half-bridge și full-bridge.

Distincția importantă este că un transformator obișnuit nu transformă direct tensiunea continuă stabilă (DC); aceasta trebuie mai întâi comutată electronic.

Ecuații ideale versus performanța reală a transformatorului

Ecuația raportului de înfășurări descrie un transformator ideal. Transformatorii reali prezintă pierderi și căderi de tensiune.

Pierderea în cupru

Pierderea de putere rezistivă într-un conductor este:

Pierdere de putere = I² × R

Pentru compatibilitate maximă cu WordPress, aceasta poate fi scrisă și astfel:

Pierdere de putere = I × I × R

Unde:

• I = Curentul care trece prin conductor
• R = Rezistența conductorului

Deoarece curentul este ridicat la pătrat în această calculare, reducerea curentului poate reduce semnificativ pierderile pe linia de transmisie.

Pierdere în miez

Un câmp magnetic alternativ provoacă pierderi prin histerezis și curenti turbionari în miez. Pierderile în miez sunt influențate de:

• Material de bază
• Frecvența de funcționare
• Tensiune aplicată
• Numărul de spire primare
• Aria secțiunii transversale a miezului
• Densitatea fluxului magnetic
• Grosimea lamelei

Fluxul de dispersie

Nu întreg fluxul magnetic leagă ambele înfășurări. Fluxul de dispersie afectează reglarea tensiunii și poate genera interferențe electromagnetice.

Curent la gol

Chiar și în absența unei sarcini secundare, înfășurarea primară consumă curent pentru magnetizarea miezului și acoperirea pierderilor în miez.

Creşterea temperaturii

Pierderile în cupru și în miez generează căldură. Un transformator trebuie să rămână în limitele de temperatură ale sistemului său de izolație în condițiile specificate de sarcină și temperatură ambientală.

Reglementarea tensiunii

Tensiunea de ieșire scade în mod normal între condițiile de funcționare fără sarcină și cele de sarcină completă din cauza impedanței interne.

Reglarea tensiunii poate fi exprimată astfel:

Reglarea tensiunii (%) = [(Vfără sarcină − Vsarcină completă) / Vsarcină completă] × 100

Din acest motiv, producătorii pot proiecta tensiunea secundară fără sarcină ușor mai mare decât tensiunea nominală de ieșire.

Influențează frecvența proiectarea transformatorului?

Da. Frecvența este un parametru critic de proiectare.

Pentru o formă de undă sinusoidală, tensiunea RMS aproximativă pe înfășurare este legată de frecvență, numărul de spire, aria miezului și densitatea maximă de flux prin relația:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Unde:

• V = tensiunea RMS pe înfășurare
• f = frecvența de funcționare în hertz
• N = Numărul de spire ale înfășurării
• A = Suprafața efectivă a secțiunii transversale a miezului
• Bmax = Densitatea maximă a fluxului magnetic

Un transformator conceput pentru 60 Hz nu trebuie să fie utilizat automat la 50 Hz la aceeași tensiune. Frecvența mai scăzută poate crește densitatea fluxului magnetic, ceea ce poate duce la saturarea miezului, curent excesiv, zgomot și suprâncălzire.

Producătorul trebuie să cunoască frecvența reală de intrare și domeniul de tensiune înainte de finalizarea proiectării.

Cum se specifică un transformator cu ridicare sau coborâre de tensiune

O specificație profesională a unui transformator ar trebui să includă mai mult decât tensiunea de intrare și cea de ieșire.

Furnizați următoarele informații când solicitați un proiect sau o ofertă:

• Tensiune nominală de intrare
• Tensiunea minimă și cea maximă de intrare
• Frecvență de Intrare
• Tensiunea sau tensiunile de ieșire necesare
• Courant de ieșire continuu
• Curentul de vârf și durata acestuia
• Tipul de sarcină
• Clasificarea necesară în VA
• Ciclul de funcționare
• Dimensiuni maxime
• Metodă de montare
• Cerințe privind cablurile de legătură sau bornele
• Temperatura ambiantă
• Condiții de răcire și de carcasă
• Creșterea maximă permisă a temperaturii
• Clasa de izolație
• Cerințe privind rezistența dielectrică
• Ecranarea electrostatică sau magnetică necesară
• Cerințe privind siguranța termică sau protectorul termic
• Țara sau piața țintă
• Cerințe de siguranță și de mediu aplicabile
• Cantitatea estimată de producție

Furnizarea condițiilor complete de funcționare ajută la prevenirea dimensionării incorecte și îmbunătățește reglarea tensiunii, fiabilitatea și durata de viață.

Întrebări frecvente

Crește un transformator ridicător puterea?

Nu. Un transformator ridicător crește tensiunea, dar reduce curentul disponibil. Puterea sa de ieșire este întotdeauna ușor mai mică decât puterea de intrare, deoarece un transformator real are pierderi în cupru, în miez și alte pierderi.

Oferă întotdeauna un transformator coborâtor un curent mai mare?

Poate oferi un curent secundar nominal mai mare pentru același nivel aproximativ de putere, dar curentul real este determinat de sarcina conectată și de capacitatea nominală a transformatorului. Un transformator nu impune sarcinii curentul său maxim.

Sunt înfășurările primare și secundare conectate?

Într-un transformator de izolare, acestea sunt separate electric și cuplate prin miezul magnetic. Într-un autotransformator, o parte a înfășurării este comună, astfel încât nu există o izolare galvanică echivalentă.

Poate un singur transformator oferi mai multe tensiuni de ieșire?

Da. Un transformator poate folosi mai multe înfășurări secundare, înfășurări cu derivare centrală sau derivații pe înfășurări pentru a furniza diferite tensiuni de ieșire.

Cum calculez puterea aparentă (VA) a unui transformator?

Pentru un transformator simplu în curent alternativ cu o singură înfășurare secundară:

VA = Vs × Is

Unde:

• VA = puterea aparentă nominală a transformatorului
• Vs = tensiunea nominală secundară
• Is = curentul nominal secundar

Exemplu:

Tensiunea secundară = 24 V CA
Curentul secundar = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Pentru mai multe înfășurări secundare, puterea totală necesară în VA se calculează din încărcarea combinată a înfășurărilor, cu luarea în considerare adecvată a tipului de încărcare, a ciclului de funcționare, a randamentului, a reglării, a redresării și a creșterii de temperatură.

Transformatoare personalizate de ridicare și coborâre de tensiune de la Dingxin

Dingxin produce transformatoare personalizate, inclusiv soluții de transformare pentru clienți și echipamente destinate pieței europene.

Transformatoarele pot fi proiectate conform cerințelor electrice, mecanice, termice și de aplicație specificate, inclusiv:

• Tensiuni de intrare și ieșire personalizate
• Proiecte de ridicare și coborâre a tensiunii
• Mai multe înfășurări secundare
• Construcții EI și toroidale
• aplicații la 50 Hz și 60 Hz
• Valori personalizate ale puterii aparente (VA)
• Cablu de legătură, terminale, suporturi și opțiuni de montare
• Ecranare electrostatică
• Siguranțe termice și protecții termice
• Sisteme de izolare specifice aplicației
• Proiecte concepute în funcție de cerințele pieței țintă ale clientului

Cerințele finale de conformitate și certificare trebuie confirmate în timpul procesului de inginerie, în funcție de proiectul transformatorului, echipamentul prevăzut și piața de destinație.

Solicitați un proiect personalizat de transformator

Aveți nevoie de un transformator cu o anumită rată de tensiune, putere nominală, dimensiune, limită de temperatură sau metodă de instalare?

Trimiteți Dingxin următoarele informații:

1. Tensiune și frecvență de intrare
2. Tensiunea și curentul de ieșire necesare
3. Condiții de sarcină continuă și de vârf
4. Dimensiuni maxime
5. Cerințe privind montarea și conexiunile
6. Temperatură de funcționare
7. Piața țintă și cerințele de conformitate
8. Cantitatea estimată de comandă

Contactați Dingxin astăzi pentru a solicita o analiză tehnică, un design personalizat de transformator, un eșantion sau o ofertă.