Transformator

'n Transformator is 'n statiese elektriese toestel (d.w.s. geen bewegende onderdele) wat deur middel van elektromagnetiese koppeling energie oordra van een stroombaan na 'n ander. 'n Transformator bestaan uit twee of meer spoele wat in meeste gevalle om 'n magnetiese kern gewikkel is. Die magnetiese kern konsentreer die magnetiese vloed in die spoele. 'n Wisselstroom in een van die spoele, die primêre spoel, induseer 'n wisselende magnetiese vloed in die kern op. Hierdie vloed induseer dan 'n spanning op in die ander, sekondêre, spoele.

Transformators word gebruik vir omskakeling tussen hoë en lae spannings, om impedansie te verander, en om elektriese isolasie te bied tussen stroombane.

Basiese beginsels

Koppeling deur wedersydse induksie

'n Eenvoudige transformator bestaan uit twee geleiers wat in 'n spoel gedraai word. Een van die spoel windings word die primêre spoel genoem en die ander spoel winding word die sekondêre winding genoem. Die geleiers word met 'n dun lagie isolator bedek om kortsluiting tussen die windings te voorkom. Wanneer 'n tydvarieërende stroom deur die primêre windings vloei, word 'n tydvarieërende magnetiese vloed om beide van die spoele gevorm. Die tydvarieërende magnetiese veld induseer 'n spanningsval oor die sekondêre spoel. Hierdie effek word wedersydse induksie genoem.

Eenvoudige analise

Wanneer 'n tyd varieërende spanning ${v_{P}},$ oor die primêre winding van $N_{P}\,$ draaie geplaas word, word 'n tyd varieërende stroom in die spoel geïnduseer. Die tyd varieërende stroom induseer 'n magneto-motoriese krag (MMK). Net soos 'n elektromotoriese krag (EMK) die stroom deur 'n elektriese stroombaan dryf, so ook probeer die MMK die magnetiese vloed dryf in 'n magnetiese stroombaan. Die primêre MMF induseer 'n varieërende magnetiese vloed $\Phi _{P}\,$ in die transformator kern. Met 'n oopbaan sekondêre winding word 'n teen EMK in teenstelling met ${v_{P}}$ geïnduseer. In verband met Faraday se wet van induktansie word die spanning oor die spoele geïnduseer in verhouding met die verandering in magnetiese vloed:

{v_{P}}={N_{P}}{\frac {d\Phi _{P}}{dt}}

en

{v_{S}}={N_{S}}{\frac {d\Phi _{S}}{dt}}

waar

$v_{P}$ en $v_{S}$ die spanningsval oor onderskeidelik die primêre en sekondêre spoel is,
$N_{P}$ en $N_{S}$ die aantal windings in onderskeidelik die primêre en sekondêre spoel is,
$d\Phi _{P}/dt$ en $d\Phi _{S}/dt$ die tyd afgeleide vloed geïnduseer in onderskeidelik die primêre en sekondêre spoel.

As daar geen verliese tussen die primêre en sekondêre vloed is nie is die transformator koppeling perfek, dan sal $\Phi _{P}=\Phi _{S}\,$ . Vervang dit in die bogenoemde vergelyking dan sal:

{\frac {v_{P}}{v_{S}}}={\frac {N_{P}}{N_{S}}}

waar

$v_{P}$ en $v_{S}$ die spanningsval oor onderskeidelik die primêre en sekondêre spoel is,
$N_{P}$ en $N_{S}$ die aantal windings in onderskeidelik die primêre en sekondêre spoel is.

Vir 'n ideale transformator sal die verhouding tussen die primêre spanning en sekondêre spanning gelyk wees aan die verhouding tussen die primêre en sekondêre spoel windings. Anders gestel, die spanning per spoel winding is dieselfde in beide windings. Die verhouding tussen die primêre en sekondêre stroom is omgekeerd eweredig aan die winding verhouding. Dit lei tot die mees algemeenste gebruik van transformators, om tussen hoë en lae spanning on te skakel.

Kern van transformator

Die kern is die geslote baan vir die magnetiese vloed (V·s) en die windings om die been is die geslote baan vir die stroom (A) en dit vorm die skakel tussen die magneetveld en die stroom.

Daar is vier belangrike aspekte vir kern materiaal en dit is;

Histerese
Versadiging
Permeabiliteit
Elektriese weerstandbiedend

Histerese is die vertragings effek tussen magnetiese vloeddigtheid (B) en magnetiese veldsterkte (H) en dit kan gesien word op B/H kurwe in naslaanboeke.

Versadiging is die vloeddigtheid wat toeneem in 'n magnetiese materiaal tot by die punt waar dit nie meer verder toeneem nie.

Permeabiliteit is die vermoë om vloed te gelei in 'n materiaal en dit is die skakel tussen magnetiese vloeddigtheid en magnetiese veldsterkte;

\mu ={\frac {B}{H}}

waar

μ is die permeabiliteit (H/m of V·s/A·m),
B is die magnetiese vloeddigtheid (T of V·s/m²),
H is die magnetiese veldsterkte (A/m).

Ekwivalente stroombaan van 'n transformator

Die ekwivalente stroombaan is uitbeelding van 'n praktiese transformator en dit verduidelik die verliese in 'n transformator. Veronderstel die transformator is ideaal met 'n primêre en sekondêre wat verwys na hoeveelheid draaie en las komponente by die ideale transformator wat na die verliese verwys.

Komponente in serie

Die weerstande in serie met die ideale transformator verwys na die weerstand van die koperdraad en die induktor in serie verwys na die vloedverlies. Hierdie verliese word koper-verliese genoem.

Komponente in parallel

Die induktor is die hoofvloed wat deur die kern vloei en die weerstand is die yster-verliese, veroorsaak deur werwelstrome en histerese.

Sien ook