Jak określić moc transformatora: wzór na znalezienie przekroju obwodu magnetycznego, jak obliczyć uzwojenia

Sprzęt niskonapięciowy jest szeroko stosowany w życiu codziennym i technologii. Fakt ten wymaga zastosowania urządzeń obniżających standardowe napięcie do wymaganego poziomu. Niezbędne jest stworzenie urządzenia spełniającego obowiązujące normy. Elektryk staje przed zadaniem określenia mocy transformatora. Znajomość elementarnych praw fizycznych pomaga rozwiązać problem.

Teoria i historia

Łacińskie słowo transformare jest tłumaczone na rosyjski jako „transformacja”. Transformator jest przeznaczony do zmiany poziomu napięcia wejściowego o określoną wartość. Urządzenie składa się z jednego lub więcej uzwojeń na zamkniętym obwodzie magnetycznym. Cewki nawinięte są z drutu aluminiowego lub miedzianego. Rdzeń składa się z płyt o podwyższonych właściwościach ferromagnetycznych.

Uzwojenie pierwotne jest podłączone do sieci elektrycznej prądu przemiennego. W uzwojeniu wtórnym znajduje się urządzenie wymagające napięcia o innej wartości.

Po podłączeniu do transformatora mocy w obwodzie magnetycznym pojawia się zamknięty strumień magnetyczny, który indukuje zmienną siłę elektromotoryczną w każdej cewce. Prawo Faradaya mówi, że pole elektromagnetyczne jest równe szybkości zmian strumienia magnetycznego, który przechodzi przez obwód elektromagnetyczny. Znak minus wskazuje przeciwny kierunek pola magnetycznego i pola elektromagnetycznego.

Formuła e = - n (∆Ф ∕ ∆ t) łączy w sobie następujące pojęcia:

• Siła elektromotoryczna e, obliczona w woltach.
• Liczba zwojów n w cewce indukcyjnej.
• Strumień magnetyczny Ф, którego jednostka miary nazywa się weber.
• Czas t wymagany dla jednej fazy zmiany pola magnetycznego.

Biorąc pod uwagę nieznaczność strat w cewce, siła elektromotoryczna jest równa napięciu w uzwojeniu. Stosunek napięć w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym jest równy stosunkowi liczby zwojów w dwóch cewkach. Stąd wywodzi się wzór transformatora:

K ≈ U ₁ U ₂ ≈ n ₁ ∕ n ₂.

Współczynnik K jest zawsze większy niż jeden. W transformatorze zmienia się tylko napięcie i natężenie. Pomnożone przez siebie, określają moc urządzenia, stałą wartość dla konkretnego urządzenia. Stosunek prądu i napięcia w uzwojeniach przedstawia wzór:

K = n₁ ∕ n₂ = I ₂ ∕ I₁ = U₁ ∕ U₂.

Innymi słowy, ile razy napięcie w uzwojeniu wtórnym jest zmniejszone w porównaniu z napięciem w cewce pierwotnej, tyle razy prąd w uzwojeniu wtórnym jest większy niż prąd w uzwojeniu pierwotnym. Różne napięcia są ustawiane przez liczbę zwojów w każdej cewce. Wzór na współczynnik K wyjaśnia, jak obliczyć transformator.

Transformator przeznaczony jest do pracy w obwodzie napięcia przemiennego. Prąd stały nie indukuje pola elektromagnetycznego w obwodzie magnetycznym, a energia elektryczna nie jest przekazywana do innego uzwojenia.

W 1822 roku Faraday był zajęty pomysłem przekształcenia magnetyzmu w prąd elektryczny. Lata badań doprowadziły do ​​powstania serii artykułów opisujących fizyczne zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Podstawowa praca została opublikowana w czasopiśmie naukowym Angielskiego Towarzystwa Królewskiego.

Istotą eksperymentów było nawinięcie przez badacza dwóch kawałków drutu miedzianego na żelazny pierścień. Do jednej z cewek podłączono prąd stały. Galwanometr podłączony do styków innego uzwojenia rejestrował krótkotrwałe pojawienie się napięcia. Aby przywrócić indukcję, eksperymentator odłączył zasilanie, a następnie zamknął styki z powrotem do akumulatora.

Praca Michaela Faradaya została wysoko oceniona przez brytyjskie środowisko naukowe. W 1832 roku fizyk otrzymał prestiżową nagrodę. Za wybitną pracę w dziedzinie elektromagnetyzmu naukowiec został odznaczony medalem Copleya.

Jednak urządzenie zmontowane przez Faradaya trudno nazwać transformatorem. Urządzenie, które faktycznie konwertowało napięcie i prąd, zostało opatentowane w Paryżu 30 listopada 1876 roku. W latach 80. ubiegłego wieku wynalazca i projektant transformatora P. N. Jabłoczkow mieszkał we Francji. W tym samym czasie wybitny rosyjski inżynier elektryk zaprezentował światu prototyp reflektora - „świecę Jabłoczkowa”.

Obliczanie parametrów urządzenia

Czasami urządzenie wpada w ręce elektryka bez opisu parametrów technicznych. Następnie specjalista określa moc transformatora na podstawie przekroju obwodu magnetycznego. Pole przekroju wyznacza się mnożąc szerokość i grubość rdzenia. Wynikowa liczba jest podnoszona do kwadratu. Wynik wskaże przybliżoną moc urządzenia.

Pożądane jest, aby obszar obwodu magnetycznego nieznacznie przekraczał obliczoną wartość. W przeciwnym razie korpus rdzenia wpadnie w obszar nasycenia polem magnetycznym, co doprowadzi do spadku indukcyjności i rezystancji cewki. Proces ten zwiększy poziom przepływającego prądu, powodując przegrzanie i uszkodzenie urządzenia.

Praktyczne obliczenie transformatora mocy nie zajmie dużo czasu. Na przykład rzemieślnik domowy ma za zadanie oświetlić miejsce pracy w garażu. W pokoju znajduje się gniazdko domowe 220 V, do którego należy podłączyć lampę z żarówką 40 W 36 V. Wymagane jest obliczenie parametrów technicznych transformatora obniżającego napięcie.

Wyznaczanie mocy

Podczas pracy urządzenia straty ciepła są nieuniknione. Przy obciążeniu nieprzekraczającym 100 W sprawność wynosi 0,8. Prawdziwą wymaganą moc transformatora P₁ określa się dzieląc moc lampy P₂ przez sprawność:

P₁ = P₂ ∕ μ = 40 ∕ 0,8 = 50

Zaokrąglanie jest zakończone. Wynik 50 W.

Obliczanie przekroju rdzenia

Wielkość obwodu magnetycznego zależy od mocy transformatora. Pole przekroju określa się w następujący sposób.

S = 1, 2 ∙ √P₁ = 1, 2 ∙ 7, 07 = 8, 49

Przekrój rdzenia musi mieć powierzchnię co najmniej 849 cm².

Obliczanie liczby zwojów

Obszar obwodu magnetycznego pomaga określić liczbę zwojów drutu na wolt napięcia:

n = 50 ∕ S = 50 ∕ 8,49 = 5,889.

Potencjalne różnice jednego wolta będą odpowiadały 5,89 obrotom drutu wokół rdzenia. Dlatego uzwojenie pierwotne o napięciu 220 V składa się z 1296 zwojów, a dla uzwojenia wtórnego wymagane są 212 zwojów. W uzwojeniu wtórnym występują straty napięcia spowodowane rezystancją drutu. W rezultacie eksperci zalecają zwiększenie liczby zwojów cewki wyjściowej o 5-10%. Poprawiona liczba zwojów wyniesie 233.

Prądy w uzwojeniach

Następnym krokiem jest znalezienie prądu w każdym uzwojeniu, który jest obliczany poprzez podzielenie mocy przez napięcie. Po kilku prostych obliczeniach uzyskuje się wymagany wynik.

W wężownicy pierwotnej I₁ = P₁ ∕ U₁ = 50 ∕ 220 = 0,23 ampera, aw wężownicy wtórnej I₂ = P₂ ∕ U₂ = 40 ∕ 36 = 1,112 ampera.

Średnica przewodu

Obliczanie uzwojeń transformatora kończy się określeniem grubości drutu, którego przekrój oblicza się według wzoru: d = 0,8 √ I. Warstwa izolacyjna nie jest brana pod uwagę. Przewód cewki wejściowej musi mieć średnicę:

d₁ = 0,8 √I₁ = 0,8 √0,23 = 0,8 ∙ 0,848 = 0,838.

Do nawijania uzwojenia wyjściowego potrzebny jest drut o średnicy:

d₂ = 0,8 √I₂ = 0,8 √1,12 = 0,8 ∙ 1,06 = 0,885.

Wymiary podano w milimetrach. Po zaokrągleniu okazuje się, że cewka pierwotna jest nawinięta drutem o grubości 0,5 mm, a na uzwojenie wtórne nadaje się drut 1 mm.

Rodzaje i zastosowania transformatorów

Obszary zastosowania transformatorów są zróżnicowane. Urządzenia zwiększające napięcie są wykorzystywane do celów przemysłowych do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości. Transformatory obniżające napięcie są stosowane w elektronice oraz do podłączania urządzeń AGD.

Niektórzy rzemieślnicy, niezadowoleni z niskiego napięcia w sieci, ryzykują włączeniem urządzeń gospodarstwa domowego przez transformator podwyższający napięcie. Spontaniczny wzrost mocy może spowodować, że jasne światło w pomieszczeniu zastąpi bardzo jasne płomienie ognia.

Zgodnie z zadaniami, które rozwiązuje transformator, urządzenia dzielą się na główne typy:

• Autotransformator posiada jeden rdzeń magnetyczny, na którym osadzona jest cewka indukcyjna. Niektóre zwoje działają jak uzwojenie pierwotne, a pozostałe zwoje działają jak cewki wtórne.
• Przetworniki napięcia pracują w przyrządach pomiarowych oraz w obwodach zabezpieczających przekaźniki.
• Przetworniki prądu przeznaczone są do separacji galwanicznej w sieciach sygnalizacyjnych i sterowniczych.
• Transformatory impulsowe są stosowane w komputerach, automatyce, systemach komunikacyjnych.
• Urządzenia zasilające działają z napięciami do 750 kilowoltów.

Każda zmiana parametrów energii elektrycznej w obwodzie związana jest z transformatorem. Osoba projektująca obwody elektroniczne musi znać naturę elektromagnetyzmu. Technologia obliczania uzwojeń transformatora oparta jest na podstawowych wzorach fizyki.

Inżyniera elektryka zajmującego się rutyną nawijania transformatora należy zapamiętać miłym słowem wujka Faradaya, który odkrył cudowne prawo indukcji elektromagnetycznej. Patrząc na gotowe urządzenie, należy również pamiętać o wielkim rodaku, rosyjskim wynalazcy Pawle Nikołajewiczu Jabłoczkowie.