Napięcie wyjściowe transformatora zależy od stosunku liczby uzwojeń do cewek pierwotnych i wtórnych, ale czy wpływ na wydajność transformatora ma faktyczna liczba uzwojeń?
Powiedzmy, że chcę mieć stosunek 1: 2, mógłbym nakręcić uzwojenie 10:20 lub 100: 200.
Ogólnie więcej zwojów - większy opór, indukcyjność i koszt. Czy jest więcej sensu w uzwojeniu lub czy liczba uzwojeń jest ograniczona do absolutnego minimum? Jak określa się minimalną liczbę zwojów?
Odpowiedzi:
Indukowane pole magnetyczne jest proporcjonalne do amperozwojów, to jest bieżąca liczba zwojów. Energia elektryczna jest przetwarzana na energię magnetyczną w rdzeniu i z powrotem na energię elektryczną. Rdzeń musi być wystarczająco duży, aby go utrzymać bez nasycania. W przypadku transformatora 100 VA chcesz przenieść więcej energii magnetycznie niż w przypadku transformatora 10 VA. 100 VA jest większa, ponieważ ma więcej obrotów, aby zbudować silniejsze pole, a także potrzebuje większego rdzenia, aby uniknąć nasycenia.
Powiedzmy, że chcę mieć stosunek 1: 2, mógłbym nakręcić uzwojenie 10:20 lub 100: 200
Są dwa powody, aby odpowiedzieć na to pytanie, a Brian wykonał przyzwoitą robotę, tłumacząc podstawowy problem przy zbyt małej liczbie obrotów głównego, ale przeoczył kilka subtelności. Innym powodem jest wskazanie błędu w obecnie akceptowanej odpowiedzi.
Ignorując uzwojenie wtórne (i wszelkie obciążenia, które można do niego podłączyć) transformator staje się tylko cewką indukcyjną. Jeśli cewka ta zostanie umieszczona w poprzek źródła zasilania prądem przemiennym, chcesz, aby indukcyjność była wystarczająco wysoka, aby uniknąć poboru dużego prądu biernego z zasilacza - firmy energetyczne byłyby gotowe do działania, gdyby każdy pierwotny transformator pobierał 10 amperów prądu biernego - sieć zasilająca uległa awarii i spłonęła !!
Ale jest też inny powód, który dotyczy nasycenia rdzenia. Nadal mówię tutaj o transformatorze jako cewce indukcyjnej; zwoje amperów i wymiary rdzenia określają pole H wewnątrz rdzenia, a amperom zależy od indukcyjności (i napięcia zasilania). Z kolei indukcyjność zależy od innych podstawowych parametrów i liczby zwojów.
Porównaj więc 10 zwojów ze 100 zwojami - pierwotny 100 zwojów ma 100-krotność indukcyjności pierwotnego 10 zwojów, a to oznacza, że prąd (dla stałego zasilania AC) jest 100 razy mniejszy niż dla pierwotnego 10 zwojów.
Więc wzmacniacze zmniejszyły się o 100, ale obroty wzrosły o 10, więc efekt netto jest taki, że obroty amperów zmniejszyły się o 10 - oznacza to, że pole H zmniejszyło się o dziesięć, a rdzeń jest znacznie mniej nasycony.
Jeśli podłączysz obciążenie wtórne, prąd w pierwotnym wzrośnie od podstawowego prądu magnesowania do wyższego prądu. Ta zmiana prądu nazywana jest pierwotnym prądem pobieranym przez obciążenie wtórne.
Więc teraz mogą pojawić się jeszcze dwa zestawy zwojów amperów - zwoje wtórne i dodatkowe zwoje pierwotne z powodu obciążenia wtórnego. Mówię „może”, ponieważ w rzeczywistości wcale nie musimy ich brać pod uwagę - doskonale eliminują się one w rdzeniu, a rdzeń nie jest bardziej nasycony z powodu prądu obciążenia niż wtedy, gdy nie było tam obciążenia wtórnego.
Ale okropnie wielu inżynierów nie zdaje sobie z tego sprawy - brzmi to nieintuicyjnie, więc jak mogę przekonać niewiernego? Rozważ 4 następujące scenariusze: -
Scenariusz 1 i 2 dotyczą zamiany jednego uzwojenia pierwotnego na dwa uzwojenia równoległe. S1 ma prąd magnesowania Im i dlatego każde uzwojenie w S2 przyjmuje Im / 2. Innymi słowy, blisko połączone równoległe druty zachowują się jak pojedynczy drut. Co ciekawe, każdy drut ma S2 MUSI teraz mieć podwójną indukcyjność, a jeśli ponownie ułożysz te dwa druty w szeregu, będziesz miał pierwotną indukcyjność 4 razy większą niż S1 - to dowodzi, że podwojenie liczby zwojów czterokrotnie indukcyjność. Dziesięciokrotna liczba zwojów oznacza sto razy większą indukcyjność.
S3 prosi o rozważenie, co się stanie, gdy jedno z równoległych uzwojeń S2 zostanie odłączone - jaka byłaby zależność fazowa napięcia na tym odłączonym uzwojeniu w porównaniu do napięcia pierwotnego uzwojenia? Jeśli uważasz, że jest to przeciwfazowe dla napięcia pierwotnego, to co by się stało w scenariuszu 2, spowodowałoby pożar !!
Zatem wyraźnie indukowane napięcie w odłączonym uzwojeniu (S3) jest tej samej fazy (i wielkości) jak napięcie pierwotne.
S4 powinno być jasne - podłącz obciążenie do izolowanego uzwojenia, a prąd płynący w pierwotnym jest w przeciwnym kierunku niż prąd płynący w „nowym” wtórnym.
Krótko mówiąc, oznacza to, że amper włącza się w pierwotnym (z powodu wtórnego prądu obciążenia) SĄ całkowicie anulowane przez amperowe zwoje w wtórnym.
Oznacza to również, że transformator wymagany do obsługi wyższej mocy obciążenia nie jest większy ze względu na możliwość nasycenia rdzenia. Jest on większy, dzięki czemu można stosować grubsze druty (mniejsze straty miedzi), a grubsze druty wymagają więcej miejsca, a zatem większy rdzeń.
W przypadku każdego transformatora chcesz przenieść większość dostarczonej energii do odbiornika, więc chcesz zmarnować jak najmniej energii w transformatorze.
Jednak trzeba poświęcić trochę energii, aby namagnesować rdzeń w każdym pół cyklu, a liczba zwojów wpływa na moc wymaganą do tego. Możesz wymodelować tę marnowaną moc jako indukcyjność połączoną z pierwotną, więc chcesz zmaksymalizować impedancję tej indukcyjności, aby zminimalizować marnowaną moc.
Indukcyjność jest proporcjonalna do kwadratu liczby zwojów, więc pierwotny 100 zwojów będzie miał 100-krotność indukcyjności pierwotnego 10 zwojów.
Aby zwiększyć impedancję, możesz zrobić trzy rzeczy: