พื้นฐานของหม้อแปลงไฟฟ้า

โดยทั่วไป Transformers เป็นอุปกรณ์ที่สามารถแปลงปริมาณจากค่าหนึ่งไปเป็นอีกค่าหนึ่งได้ สำหรับบทความนี้เราจะมุ่งเน้นไปที่หม้อแปลงแรงดันซึ่งเป็นแบบคงที่ไฟฟ้าองค์ประกอบความสามารถในการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจากมูลค่าหนึ่งไปยังอีกโดยไม่ต้องเปลี่ยนความถี่โดยใช้หลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ในบทความก่อนหน้านี้ของเราเกี่ยวกับกระแสสลับเราได้กล่าวถึงความสำคัญของหม้อแปลงในประวัติศาสตร์ของกระแสสลับ มันเป็นตัวเปิดใช้งานหลักที่ทำให้กระแสสลับเป็นไปได้ เริ่มแรกเมื่อใช้ระบบ DC-based พวกเขาไม่สามารถถ่ายโอนในระยะทางไกลได้เนื่องจากการสูญเสียพลังงานในสายเมื่อระยะทาง (ความยาว) เพิ่มขึ้นซึ่งหมายความว่าต้องวางสถานีไฟฟ้ากระแสตรงทุกที่ดังนั้นเป้าหมายหลักของ AC คือ เพื่อแก้ปัญหาการส่งผ่านและไม่มีหม้อแปลงนั้นจะไม่สามารถทำได้เนื่องจากการสูญเสียจะยังคงมีอยู่แม้จะมี AC

ด้วยหม้อแปลงไฟฟ้า AC สามารถส่งจากสถานีกำเนิดไฟฟ้าที่แรงดันไฟฟ้าสูงมาก แต่กระแสไฟฟ้าต่ำซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียในสาย (สายไฟ) เนื่องจากค่า I ² R (ซึ่งทำให้สูญเสียพลังงานเป็นเส้น). หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้แล้วเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าสูงพลังงานในปัจจุบันต่ำแรงดันไฟฟ้าต่ำ, พลังงานสูงในปัจจุบันสำหรับการกระจายสุดท้ายภายในชุมชนโดยไม่ต้องเปลี่ยนความถี่และที่อำนาจเดียวกันที่ถูกส่งจากสถานีผลิต (P = IV)

เพื่อให้เข้าใจถึงหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าได้ดีขึ้นควรใช้แบบจำลองที่เรียบง่ายที่สุดซึ่งเป็นหม้อแปลงเฟสเดียว

หม้อแปลงเฟสเดียว

หม้อแปลงเฟสเดียวเป็นหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าที่พบมากที่สุด (ในแง่ของตัวเลขที่ใช้งาน) มีอยู่ในเครื่องใช้ไฟฟ้าส่วนใหญ่ที่ "เสียบปลั๊ก" ที่เราใช้ในบ้านและที่อื่น ๆ

ใช้เพื่ออธิบายหลักการทำงานการสร้างหม้อแปลงอื่น ๆ เนื่องจากหม้อแปลงอื่น ๆ เป็นเหมือนการเปลี่ยนแปลงหรือการดัดแปลงของหม้อแปลงเฟสเดียว ตัวอย่างเช่นบางคนอ้างถึงหม้อแปลงสามเฟสว่าประกอบด้วยหม้อแปลง 3 เฟสเดียว

หม้อแปลงเฟสเดียว ประกอบด้วยขดลวด / ขดลวดสองขด (ขดลวดหลักและขดลวดทุติยภูมิ) ขดลวดทั้งสองนี้ถูกจัดเรียงในลักษณะที่ไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างกันดังนั้นพวกมันจึงถูกพันรอบ ๆ เหล็กแม่เหล็กทั่วไปโดยทั่วไปเรียกว่าแกนของหม้อแปลงดังนั้นขดลวดทั้งสองจึงมีเพียงการเชื่อมต่อระหว่างแม่เหล็กเท่านั้น สิ่งนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่ากำลังส่งผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้นและยังทำให้หม้อแปลงมีประโยชน์สำหรับการแยกการเชื่อมต่อ

หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า:

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้หม้อแปลงประกอบด้วยสองขดลวด หลักและขดลวดทุติยภูมิขดลวดปฐมภูมิแสดงถึงอินพุตไปยังหม้อแปลงเสมอในขณะที่ขดลวดทุติยภูมิซึ่งเป็นเอาต์พุตจากหม้อแปลง

ผลกระทบหลักสองประการกำหนดการทำงานของหม้อแปลง:

ประการแรกคือกระแสที่ไหลผ่านเส้นลวดจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบ ๆ เส้นลวด ขนาดของสนามแม่เหล็กที่ได้จะแปรผันโดยตรงกับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเส้นลวด ขนาดของสนามแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นหากลวดถูกพันเป็นรูปแบบคล้ายขดลวด นี่คือหลักการที่ทำให้เกิดแม่เหล็กโดยขดลวดปฐมภูมิโดยใช้แรงดันไฟฟ้าให้ขดลวดหลักก็ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบแกนของหม้อแปลง

ผลสองซึ่งเมื่อรวมกับครั้งแรกที่อธิบายถึงหลักการในการดำเนินงานของหม้อแปลงซึ่งอยู่บนพื้นฐานความจริงที่ว่าถ้าเป็นตัวนำเป็นแผลรอบชิ้นส่วนของแม่เหล็กและการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดในปัจจุบัน ตัวนำซึ่งขนาดจะถูกกำหนดโดยจำนวนรอบของขดลวดตัวนำ นี่คือหลักการที่ขดลวดทุติยภูมิได้รับพลังงาน

เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับขดลวดปฐมภูมิจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบแกนกลางความแรงขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่ใช้ สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจึงทำให้เกิดกระแสในขดลวดทุติยภูมิซึ่งเป็นฟังก์ชันของขนาดของสนามแม่เหล็กและจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ

หลักการทำงานของหม้อแปลงนี้ยังอธิบายถึงสาเหตุที่ต้องคิดค้น AC เนื่องจากหม้อแปลงจะทำงานก็ต่อเมื่อมีการสลับแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าที่ใช้เท่านั้นหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจะทำงานได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้หม้อแปลงเป็น DCได้

การก่อสร้างหม้อแปลงไฟฟ้า

โดยทั่วไปหม้อแปลงประกอบด้วยสองส่วน ได้แก่ สองขดลวดเหนี่ยวนำและแกนเหล็กเคลือบขดลวดเป็นฉนวนจากกันและยังหุ้มฉนวนเพื่อป้องกันการสัมผัสกับแกน

ดังนั้นการสร้างหม้อแปลงจะถูกตรวจสอบภายใต้โครงสร้างขดลวดและแกน

แกนของ Transformer

แกนของหม้อแปลงถูกสร้างขึ้นโดยการซ้อนแผ่นเหล็กเคลือบเข้าด้วยกันเพื่อให้แน่ใจว่ามีช่องว่างระหว่างอากาศน้อยที่สุด แกนหม้อแปลงในช่วงเวลาที่ผ่านมามักประกอบด้วยแกนเหล็กเคลือบแทนแกนเหล็กเพื่อลดการสูญเสียเนื่องจากกระแสไหลวน

แผ่นเหล็กเคลือบมีสามรูปแบบหลัก ๆ ให้เลือก ได้แก่ E, I และ L

เมื่อนำการเคลือบเข้าด้วยกันเพื่อสร้างแกนพวกมันจะเรียงซ้อนกันในลักษณะที่ด้านข้างของรอยต่อสลับกันเสมอ ตัวอย่างเช่นแผ่นถูกประกอบเป็นแบบหันหน้าไปทางด้านหน้าในระหว่างการประกอบครั้งแรกพวกเขาจะหันหลังกลับสำหรับการประกอบถัดไปดังแสดงในภาพด้านล่าง สิ่งนี้ทำเพื่อป้องกันความไม่เต็มใจสูงที่ข้อต่อ

ม้วน

เมื่อสร้างหม้อแปลงสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องระบุประเภทของหม้อแปลงเป็นขั้นตอนขึ้นหรือขั้นลงเนื่องจากจะกำหนดจำนวนรอบที่จะมีอยู่ในขดลวดปฐมภูมิหรือทุติยภูมิ

ประเภทของ Transformers:

majorly มีสามประเภทของหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า;

1. ก้าวลง Transformers

2. ก้าวขึ้น Transformers

3. หม้อแปลงแยก

ขั้นตอนลงหม้อแปลงมีหม้อแปลงซึ่งจะช่วยให้มูลค่าที่ลดลงของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขดลวดหลักที่ขดลวดทุติยภูมิในขณะที่สำหรับขั้นตอนเพิ่มขึ้นหม้อแปลงหม้อแปลงให้มีมูลค่าเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขดลวดหลักที่รอง ม้วน.

หม้อแปลงแยกเป็นหม้อแปลงที่ให้แรงดันไฟฟ้าเท่ากันที่ใช้กับหลักที่รองและโดยทั่วไปจะใช้ในการแยกวงจรไฟฟ้า

จากคำอธิบายข้างต้นการสร้างหม้อแปลงชนิดเฉพาะสามารถทำได้โดยการออกแบบจำนวนรอบของขดลวดหลักและขดลวดทุติยภูมิเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่ต้องการดังนั้นจึงสามารถกำหนดได้โดยอัตราส่วนรอบ คุณสามารถอ่านบทช่วยสอนที่เชื่อมโยงเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับหม้อแปลงประเภทต่างๆ

Transformer เปลี่ยนอัตราส่วนและสมการ EMF:

หม้อแปลงอัตราส่วนผลัด (n) จะได้รับจากสมการ;

n = Np / Ns = Vp / Vs

โดยที่ n = เปลี่ยนอัตราส่วน

Np = จำนวนรอบในขดลวดปฐมภูมิ

Ns = จำนวนรอบในขดลวดทุติยภูมิ

Vp = แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับค่าหลัก

Vs = แรงดันไฟฟ้าที่รอง

ความสัมพันธ์เหล่านี้ที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถใช้ในการคำนวณพารามิเตอร์แต่ละตัวในสมการ

สูตรข้างต้นเป็นที่รู้จักกันกระทำหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า

เนื่องจากเรากล่าวว่าพลังยังคงเหมือนเดิมหลังจากการเปลี่ยนแปลงแล้ว

สูตรนี้ข้างต้นจะเรียกว่าการกระทำในปัจจุบันหม้อแปลงซึ่งทำหน้าที่เป็นข้อพิสูจน์ว่าหม้อแปลงไม่เพียง แต่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า แต่ยังเปลี่ยนกระแสด้วย

สมการ EMF:

จำนวนรอบของขดลวดของขดลวดปฐมภูมิหรือขดลวดทุติยภูมิจะกำหนดปริมาณของกระแสที่เหนี่ยวนำหรือถูกเหนี่ยวนำโดยมัน เมื่อกระแสไฟฟ้าที่ใช้กับกระแสหลักลดลงความแรงของสนามแม่เหล็กจะลดลงและเช่นเดียวกันกับกระแสที่เหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ

E = N (dΦ / dt)

จำนวนของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดในขดลวดทุติยภูมิได้รับจากสมการ:

โดยที่ N คือจำนวนรอบในขดลวดทุติยภูมิ

เนื่องจากฟลักซ์แตกต่างกันไปตามรูปไซน์ฟลักซ์แม่เหล็กΦ = Φ _max sinwt

ดังนั้น

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

ค่ากำลังสองของค่าเฉลี่ยรากของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำได้จากการหารค่าสูงสุดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้วย√2

สมการนี้เป็นที่รู้จักกันหม้อแปลง EMF สม

ที่ไหน: N คือจำนวนรอบในการม้วนขดลวด

f คือความถี่ของฟลักซ์ในเฮิรตซ์

Φคือความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กในเวเบอร์

ด้วยการกำหนดค่าเหล่านี้ทั้งหมดจึงสามารถสร้างหม้อแปลงได้

พลังงานไฟฟ้า

ตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้หม้อแปลงถูกสร้างขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่ามูลค่าของพลังงานไฟฟ้าที่สร้างขึ้นที่สถานีผลิตจะถูกส่งไปยังผู้ใช้ปลายทางโดยมีการสูญเสียเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยดังนั้นในหม้อแปลงในอุดมคติกำลังไฟฟ้าที่เอาต์พุต (ขดลวดทุติยภูมิ) จะเท่ากับเสมอ อำนาจการป้อนข้อมูล ดังนั้นหม้อแปลงจึงเรียกว่าอุปกรณ์วัตต์คงที่ในขณะที่อาจเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าและค่ากระแสไฟฟ้า แต่จะทำในลักษณะที่กำลังไฟฟ้าเดียวกันที่อินพุตพร้อมใช้งานที่เอาต์พุต

ด้วยประการฉะนี้

P _s = P _หน้า

โดยที่ Ps คือพลังที่รองและ Pp คือพลังที่หลัก

ตั้งแต่ P = IvcosΦแล้วฉัน_s V _s cosΦ _s = ฉัน_พีวี_พี cosΦ _พี

ประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้า

ประสิทธิภาพของหม้อแปลงกำหนดโดยสมการ

ประสิทธิภาพ = (กำลังขับ / กำลังไฟฟ้าเข้า) * 100%

ในขณะที่เอาต์พุตกำลังของหม้อแปลงในอุดมคติควรจะเหมือนกับอินพุตกำลังไฟฟ้า แต่หม้อแปลงส่วนใหญ่อยู่ห่างจากหม้อแปลงในอุดมคติและประสบกับความสูญเสียเนื่องจากปัจจัยหลายประการ

การสูญเสียบางอย่างที่หม้อแปลงสามารถประสบได้มีดังต่อไปนี้

1. การสูญเสียทองแดง

2. การสูญเสีย Hysteresis

3. การสูญเสียกระแสวน

1. การสูญเสียทองแดง

การสูญเสียเหล่านี้บางครั้งเรียกว่าการสูญเสียที่คดเคี้ยวหรือการสูญเสีย I ² R การสูญเสียเหล่านี้เกี่ยวข้องกับพลังงานที่กระจายโดยตัวนำที่ใช้สำหรับขดลวดเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเนื่องจากความต้านทานของตัวนำ มูลค่าของการสูญเสียนี้สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร

P = ฉัน² R

2. การสูญเสีย Hysteresis

นี่คือการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับความไม่เต็มใจของวัสดุที่ใช้สำหรับแกนของหม้อแปลง ในขณะที่กระแสสลับกลับทิศทางจะมีผลกระทบต่อโครงสร้างภายในของวัสดุที่ใช้สำหรับแกนเนื่องจากมีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพซึ่งจะใช้พลังงานส่วนหนึ่งไปด้วย

3. การสูญเสียกระแสวน

นี่คือการสูญเสียที่มักจะเอาชนะได้โดยการใช้เหล็กแผ่นบางเคลือบ การสูญเสียกระแสวนเกิดจากการที่แกนกลางเป็นตัวนำและจะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิ กระแสที่เหนี่ยวนำในแกนกลางตามกฎฟาราเดย์จะต่อต้านสนามแม่เหล็กและนำไปสู่การกระจายพลังงาน

เราได้พิจารณาผลกระทบของการสูญเสียเหล่านี้ในการคำนวณประสิทธิภาพของหม้อแปลง

ประสิทธิภาพ = (กำลังอินพุต - การสูญเสีย / กำลังไฟฟ้าเข้า) * 100% พารามิเตอร์ทั้งหมดที่แสดงในหน่วยกำลัง