Principiul de funcționare și sarcina transformatorului monofazat

Transformatoarele sunt dispozitive electrice formate din două sau mai multe bobine de sârmă utilizate pentru a transfera energia electrică prin intermediul unui câmp magnetic variabil. Unul dintre principalele motive pentru care folosim tensiuni și curenți alternativi în casele și locurile noastre de muncă este faptul că sursele AC pot fi generate cu ușurință la o tensiune convenabilă, transformate în tensiuni mult mai mari și apoi distribuite în întreaga țară utilizând rețeaua națională de piloni și cabluri pe distanțe foarte lungi.

Motivul transformării tensiunii la un nivel mult mai ridicat este acela că tensiunile de distribuție mai mari implică curenți mai mici pentru aceeași putere și, prin urmare, pierderi mai reduse de I2R de-a lungul rețelelor de cabluri. Aceste tensiuni și curenți de transmisie AC mai mari pot fi apoi reduși la un nivel de tensiune mult mai scăzut, mai sigur și mai ușor de utilizat, în cazul în care acestea pot fi utilizate pentru alimentarea echipamentelor electrice în casele și locurile de muncă, toate acestea fiind posibil datorită transformatorului de tensiune de bază.

Transformatorul de tensiune: o privire de ansamblu

Transformatorul de tensiune poate fi gândit ca o componentă electrică, mai degrabă decât o componentă electronică. Un transformator este, în principiu, un dispozitiv electric pasiv electromagnetic static (sau staționar), care funcționează pe principiul legii inducției a lui Faraday prin convertirea energiei electrice de la o valoare la alta. Transformatorul face acest lucru prin legarea a două sau mai multe circuite electrice folosind un circuit magnetic oscilant comun care este produs de transformatorul propriu-zis. Un transformator funcționează pe principii de „inducție electromagnetică”, sub formă de inducție mutuală (reciprocă).

Inducția mutuală este procesul prin care o bobină de sârmă induce magnetic o tensiune într-o altă bobină situată în imediata apropiere a ei. Astfel, transformatoarele funcționează în domeniul „magnetic”, și își dau numele de la faptul că „transformă” un nivel de tensiune sau curent în altul. Transformatoarele sunt capabile fie să crească, fie să scadă nivelele de tensiune și curent ale alimentării lor, fără modificarea frecvenței lor, sau cantitatea de energie electrică transferată de la o înfășurare la alta prin circuitul magnetic.

Un transformator de tensiune cu o singură fază constă, în principiu, din două bobine electrice de sârmă, una denumită „înfășurarea primară” și alta numită „înfășurarea secundară”. Pentru acest tutorial vom defini partea „primară” a transformatorului ca parte care de obicei necesită putere, iar „secundar” ca parte care de obicei furnizează energie. Într-un transformator de tensiune monofazat, primarul este de obicei partea cu tensiunea mai mare.

Aceste două bobine nu sunt în contact electric una cu cealaltă, ci sunt înfășurate împreună în jurul unui circuit închis de fier magnetic, denumit „miez”. Acest miez de fier moale nu este solid, ci este alcătuit din laminate individuale conectate împreună pentru a ajuta la reducerea pierderilor de miez. Cele două înfășurări ale bobinelor sunt izolate electric una de cealaltă, dar sunt legate magnetic prin miezul comun, permițând transferarea energiei electrice de la o bobină la alta.

Când un curent electric trece prin înfășurarea primară, se dezvoltă un câmp magnetic care induce o tensiune în înfășurarea secundară, așa cum este arătat mai jos. Transformatorul de tensiune monofazat poate fi privit ca un sistem în care nu există o conexiune electrică directă între cele două înfășurări, dându-i astfel și numele de transformator de izolare. În general, înfășurarea primară a unui transformator este conectată la sursa de tensiune de intrare și convertește sau transformă puterea electrică într-un câmp magnetic. În timp ce sarcina înfășurării secundare este de a transforma acest câmp magnetic alternativ în energie electrică, producând tensiunea de ieșire necesară.

Construcția transformatorului monofazat: simboluri și concepte

Unde: VP - tensiunea primară; VS - tensiunea secundară; NP - numărul de înfășurări primare; NS - numărul de înfășurări secundare; Φ (phi) - legătura de flux. Observați că cele două înfășurări ale bobinelor nu sunt conectate electric, ci sunt legate numai magnetic. Un transformator monofazat poate funcționa pentru a mări sau micșora tensiunea aplicată la înfășurarea primară. Când un transformator este utilizat pentru a „mări” tensiunea pe înfășurarea secundară față de primar, se numește transformator Step-up (ridicător). Când se utilizează pentru a „micșora” tensiunea pe înfășurarea secundară în raport cu primarul, se numește un transformator Step-down (coborător).

Există o a treia categorie în care un transformator produce aceeași tensiune pe secundar, așa cum se aplică la înfășurarea primară. Acest tip de transformator se numește „transformator de impedanță” și este utilizat în principal pentru adaptarea impedanței sau izolarea circuitelor electrice învecinate. Diferența de tensiune dintre înfășurările primare și secundare este obținută prin modificarea numărului de spire ale înfășurării primare în comparație cu înfășurarea secundară. Raportul spirelor, care nu are unități, compară cele două înfășurări în ordine și este scris cu două puncte, cum ar fi 3:1 (3-la-1).

Astfel, dacă există 3 volți pe bobina primară, va exista 1 volt pe bobina secundară, de 3 volți la 1 volt. Transformatoarele sunt toate despre „rapoarte”. Raportul dintre primar și secundar, raportul dintre intrare și ieșire și raportul de spire al oricărui transformator dat vor fi aceleași cu raportul de tensiune. Cu alte cuvinte: raportul de spire = raportul de tensiune.

Rețineți că ordinea numerelor în expresia raportului de spire este crucială: 3:1 exprimă o relație diferită față de 1:3. Valorile reale de tensiune pe secundar depind de NP și NS, iar raportul de transformare este Np/Ns, determinând tensiunea disponibilă pe bobina secundară. Pentru un transformator ideal, puterea pe secundar este egală cu puterea pe primar, iar raportul de putere este 1:1, deoarece P = V·I este conservat.

Principii de bază ale transformatorului: exemple

Exemplul 1: Un transformator de tensiune are 1500 de spire pe bobina primară și 500 de spire pe bobina secundară. Raportul de transformare este 3:1, ceea ce înseamnă că există trei înfășurări primare pentru fiecare înfășurare secundară. Pe măsură ce raportul se deplasează din stânga spre dreapta, tensiunea primară este coborâtă, conform raportului de spire.

Exemplul 2: Dacă la borna primară a aceluiași transformator de mai sus este aplicată o tensiune de 240 volți rms, tensiunea secundară (fără sarcină) va fi 80 volți. Acest lucru demonstrează că transformatorul acționează ca coborâtor în această configurație. Dacă tensiunea de ieșire secundară trebuie să fie aceeași cu tensiunea de intrare pe bobina primară, numărul de spire de pe secundar trebuie să fie egal cu cel de pe primar (raport 1:1).

Exemplul 3: Un transformator monofazic are 480 de spire pe înfășurarea primară și 90 pe înfășurarea secundară. Se pot aplica calculuri suplimentare legate de densitatea fluxului pentru a determina fluxul maxim, aria secțiunii transversale a miezului și emf indusă în secundar, în funcție de valorile date.

Puterea și caracteristicile electrice

Un alt parametru de bază al transformatorului este puterea nominală. Puterea nominală este obținută prin simpla multiplicare a curentului cu tensiunea pentru a obține volt-ampere (VA). Transformatoarele monofazice mici sunt clasificate în VA, în timp ce transformatoarele de putere mari sunt evaluate în kilovolt-amperi (kVA) sau Megavolt-amperi (MVA). Într-un transformator ideal, puterea disponibilă în bobina secundară va fi aceeași cu puterea în bobina primară; raportul de putere este 1:1, deoarece produsul tensiune×curent rămâne constant.

Este important de menționat că transformatoarele necesită un flux magnetic alternativ pentru a funcționa corect; ele nu pot transforma sau alimenta tensiuni sau curenți DC deoarece câmpul magnetic trebuie să varieze pentru a induce o tensiune în bobina secundară. Dacă o înfășurare primară este conectată la o sursă DC, reactanța inductivă este zero, iar impedanța efectivă este foarte scăzută, ceea ce poate duce la supraîncălzire și ardere.

F.IF de calcul și exemple practice

Raportul spirelor este esențial pentru determinarea tensiunii pe secundar. Raportul de spire este egal cu raportul de tensiune și reprezintă relația dintre NP și NS. Dacă dorim să creștem tensiunea pe secundar, numărul de spire pe secundar trebuie să fie mai mare decât cel de pe primar (raport 1:N). Dacă dorim să scădem tensiunea, NS trebuie să fie mai mic decât NP (raport N:1).

În cazul unui transformator ideal, dacă aplicăm 1 volt pe primar cu o singură spira, tensiunea în secundar va fi tot 1 volt, iar dacă adăugăm mai multe spire pe secundar, tensiunea va crește proporțional. Fluxul magnetic în miez se bazează pe legea lui Faraday: emf = spire × dΦ/dt, iar frecvența fluxului este aceeași ca cea a tensiunii primare. Astfel, emf-ul secundar este proporțional cu NS, iar emf-ul primar cu NP.

Puterea nominală în condiții ideale rămâne constantă, iar pierderile reale sunt atribuite pierderilor de cupru și de fier în miez, precum și altor efecte parazitare. Astfel, în proiectarea transformatoarelor se iau în calcul aceste pierderi pentru a asigura performanțe bune, siguranță și eficiență.

În concluzie, transformatorul monofazat este un dispozitiv pasiv care utilizează inducția electromagnetică pentru a converti tensiunea între circuite, folosind inducția mutuală prin miezul de fier. Funcționează prin raportul de spire, care determină raportul de tensiune și implicit raportul de curent, menținând frecvența constantă și energia transferată în principal prin câmp magnetic variabil.

tags: #functionarea #in #sarcina #a #transformatorului #monofazat

Postări populare:

• Echipă, servicii și reputație în reproducere asistată la Spitalul Panait Sarbu: Dr Mihail Niculescu
• Riscurile consumului de scorțișoară în timpul sarcinii
• Legislația privind programul de lucru pentru mamele cu sugari: drepturi și condiții
• Simptomele tusei la copii
• drepturi ale mamei în timpul sarcinii și impactul divorțului