Transformatör ve ilkeleri

A transformatör Elektrik enerjisini bir devreden başka bir devreye veya devrelere aktaran pasif bir bileşendir. Bir transformatörün herhangi bir bobinindeki değişen akım, transformatör çekirdeğinde değişen bir manyetik akı üretir, bu da diğer bobin yarasında değişen bir elektromotif kuvveti (EMF) indükler Aynı çekirdekte. Elektrik enerji, iki devre arasında metalik (iletken) bir bağlantı olmadan ayrı bobinler arasında aktarılabilir. bobini çevreleyen manyetik akı.Transformatörler AC voltaj seviyesini değiştirmek için kullanılır, bu tip transformatör sırasıyla voltaj seviyesini artırmak veya azaltmak için bir adım atma veya aşağı inme tipi olarak bilinir. Transformatörler ayrıca devreler arasında galvanik izolasyon sağlamak ve sinyal işleme devrelerinin birkaç aşamasını sağlamak için kullanılır. 1885'teki ilk sabit potansiyel transformatörün icadı, transformatörler alternatif akımın iletiminin, dağılımı ve kullanımının önemli bir parçası haline gelmiştir. Elektronik ve güç uygulamalarında çok çeşitli transformatör tasarımları ile karşılaşılmaktadır. Transformerler, büyük kübik küpten daha az olan radyo frekansı transformatörlerinden, birbirine bağlanan güç ızgaraları için yüzlerce ton ağırlığındaki birimlere kadar değişmektedir.

Prensipler

İdeal bir transformatör doğrusal, kayıpsız ve mükemmel birleştirilmiş mükemmel bağlantıdır, sonsuz yüksek çekirdek geçirgenliği ve sarma endüktansı ve sıfır net manyetomotif kuvveti anlamına gelir (yani IPNP - ISNS = 0).Transformatör birincil sargısında değişen bir akım, transformatör çekirdeğinde değişen bir manyetik akı oluşturur, bu da ikincil sargı ile çevrilidir. İkincil sargedeki bu değişen akı, ikincil sargımda değişen bir EMF veya voltaja neden olur. Bu elektromanyetik indüksiyon fenomeni, transformatör etkisinin temelini oluşturur ve Lenz yasasına göre, üretilen ikincil akım, birincil sargının ürettiği gibi bir manyetik akı üretir. geçirgenlik, böylece tüm manyetik akı birincil ve ikincil sargılardan geçer. Voltaj kaynağı birincil sargıya bağlanır, yük ikincil sargıya bağlanır, transformatör akımı belirtilen yönde akar ve demirin manyetomotif kuvveti Çekirdek sıfıra iptal eder.Faraday yasasına göre, aynı manyetik akı ideal bir transformatörün birincil ve ikincil sargılarından geçtiğinden, her sargıya sarılmalarıyla orantılı bir voltaj indüklenir. Transformatör sarma voltaj oranı, sarma dönüş oranına eşittir.İdeal bir transformatör, voltaj oranları ve her ikisi de karşılık gelen akım oranlarıyla ters orantılı olan sarma dönüş oranları ile tipik bir ticari transformatörün makul bir yaklaşımıdır.Birincil devrenin yük empedansı, ikincil devrenin yük empedansı ile çarpılan dönüş oranının karesine eşittir.

Gerçek Transformatör

İdeal transformatörlerden sapma

İdeal transformatör modeli, gerçek transformatörlerin aşağıdaki temel doğrusal yönlerini göz ardı eder:

Toplu olarak mıknatıslama akım kayıpları olarak adlandırılan çekirdek kayıplar içerir.

Transformatör çekirdeğindeki doğrusal olmayan manyetik etkiler ve tDemir çekirdeğin joule ısıtılması nedeniyle akım kaybı, transformatöre uygulanan voltaj karesi ile orantılıdır.

İdeal modelin aksine, gerçek bir transformatördeki sargılar sıfır olmayan direnç ve endüktans vardır:

1. Birincil ve ikincil sarma direnci nedeniyle joule kayıpları

2. Çekirdekten kaçan sızıntı akısı ve bir sargı yoluyla sadece birincil ve ikincil reaktif empedanslara neden olur.

3. Bir indüktöre benzer şekilde, elektrik alan dağılımından dolayı parazitik kapasitans ve öz-rezonans fenomeni görülür. Genellikle üç çeşit parazitik kapasitans dikkate alınır ve kapalı döngü denklemleri sağlanır.

4. Herhangi bir katmanda bitişik dönüşler arasındaki kapasitans;

5. bitişik tabakalar arasındaki kapasitans;

6. Çekirdek ve çekirdeğe bitişik katmanlar arasındaki kapasitans;

Kapasitansın bir transformatör modeline dahil edilmesi karmaşıktır ve nadiren denenir; Aşağıda gösterilen bir "Real " transformatör modeli için eşdeğer devre parazit kapasitans içermez. Ayrıca, kapasitif etki açık devre endüktansı (yani ikincil devre açık olduğunda birincil sargının endüktansı) karşılaştırılarak ölçülebilir. Kısaltıldığında ikincil sargının kısa devre endüktansı.

Kaçak akım

İdeal bir transformatör modeli, birincil sarma tarafından üretilen tüm akıların, her bir sargının kendisi de dahil olmak üzere tüm dönüşleri birbirine bağladığını varsayar. Uygulamada, bazı akı onu sarmanın dışına çıkaran bir yoldan geçer. Karşılıklı birleştirilmiş transformatör sargıları ile seri indüksiyon. Voltaj, özellikle ağır yüklerde birincil voltajla orantılı olmayacak.Bazı uygulamalarda, artan sızıntı gereklidir ve uzun manyetik yollar, hava boşlukları veya manyetik baypas şantları, sağlayacağı kısa devre akımını sınırlamak için kasıtlı olarak transformatör tasarımına sokulabilir. Elektrik arkları, cıva ve sodyum lambalar ve neon ışıkları gibi negatif direnç veya ark kaynakçıları gibi periyodik olarak kısa devre yapılan yükleri güvenli bir şekilde işlemek için.Hava boşlukları ayrıca transformatörlerin doygunluğunu, özellikle de sargılardaki DC bileşenleri olan devrelerde ses transformatörlerinin doygunluğunu önlemek için kullanılır. Doyabilir reaktör, alternatif akımı kontrol etmek için demir çekirdeğin doygunluğunu kullanır.

Sızıntı endüktansı bilgisi, transformatörler paralel olarak çalıştırıldığında da yararlıdır. İki transformatör aynı empedans yüzdesine ve ilişkili sarma sızıntısı reaktans direnci (x/r) oranına sahipse, transformatörlerin yük gücünü orantılı olarak paylaşacağı gösterilebilir. Bununla birlikte, ticari transformatörlerin geniş empedans toleransları vardır. Ayrıca, farklı boyutlardaki transformatörlerin empedansı ve X/R oranı farklı olma eğilimindedir.

• Eşdeğer devre

• Bu şekle atıfta bulunarak, gerçek bir transformatörün fiziksel davranışı, ideal bir transformatör içerebilen eşdeğer bir devre modeli ile temsil edilebilir.

• Sargı Joule kayıpları ve sızıntı reaktansı, modelin aşağıdaki seri döngü empedansı ile temsil edilir:

• Birincil sarma: RP, XP

• İkincil sargılar: RS, XS.

• Normal devre eşdeğeri dönüşümlerde, RS ve XS aslında bu empedansların dönüş oranı (NP/NS) 2 = A2'nin karesi ile çarpılarak birincil tarafa atıfta bulunur.

• Demir kayıpları ve reaktansı, modelin aşağıdaki şant dalı empedansları ile temsil edilir:

• Demir kaybı veya demir kaybı: RC.

• Mıknatıslama reaktansı: XM.

RC ve XM toplu olarak modelin mıknatıslama dalı olarak adlandırılır.

Çekirdek kaybı öncelikle çekirdekteki histerezis ve girdap akım etkilerinden kaynaklanır ve belirli bir frekansta çalışan çekirdek akının karesi ile orantılıdır.142-143 Sonlu geçirgenlik çekirdekleri, çekirdekte karşılıklı akıyı korumak için mıknatıslama akımı IM gerektirir. Mıknatıslama akımı manyetik akı ile fazdadır ve ikisi arasındaki ilişki doygunluk etkileri nedeniyle doğrusal değildir.Bu, eşdeğer bir devrenin tüm empedansları tanım gereği doğrusaldır ve bu doğrusal olmayan etki genellikle bir transformatör eşdeğeri devreye yansıtılmaz . 142 Sinüzoidal güç kaynağı için çekirdek akısı, indüklenen elektromotif kuvvetini 90 ° geciktirir. İkincil sargı açık olduğunda, uyarma dalı akımı i0, transformatörün yüksüz akımına eşittir.

Ortaya çıkan model, bazen doğrusallık varsayımına dayalı olarak "kesin " eşdeğer bir devre olarak adlandırılırken, birçok yaklaşımı korur, mıknatıslanmış dal empedansının nispeten yüksek olduğunu varsayarak analizi basitleştirebilir ve dalın birincil olarak sola yerleştirilmesi Bu hatalar getirir, ancak birincil ve referans ikincil direnci ve reaktanın sadece iki seri empedans olarak toplanarak birleştirilmesini sağlar.Transformatör eşdeğeri devre empedansı ve dönüşüm oranı parametreleri aşağıdaki testlerle elde edilebilir: açık devre testi, kısa devre testi, sarma direnç testi, dönüşüm oranı testi.