Com funcionen els transformadors

Segons la definició donada a Viquipèdia un transformador elèctric és un equip estacionari que intercanvia energia elèctrica a través d’un parell de bobines enrotllades estretament, mitjançant la inducció magnètica.

Un corrent constantment alterat en un bobinatge del transformador genera un flux magnètic variable, que, en conseqüència, indueix una força electromotriu variable sobre una segona bobina construïda sobre el mateix nucli.

Principi bàsic de treball

Els transformadors funcionen bàsicament transferint energia elèctrica entre un parell de bobines mitjançant inducció mútua, sense dependre de cap forma de contacte directe entre els dos bobinats.

Aquest procés de transferència d’electricitat a través de la inducció es va demostrar per primera vegada amb la llei d’inducció de Faraday, l’any 1831. Segons aquesta llei, el voltatge induït a través de dues bobines es crea a causa d’un flux magnètic variable que envolta la bobina.

La funció fonamental d’un transformador és augmentar o reduir un voltatge / corrent altern, en diferents proporcions segons el requisit de l’aplicació. Les proporcions es decideixen pel nombre de girs i la relació de girs del bobinat.

Analitzant un transformador ideal

Podem imaginar un transformador ideal per ser un hipotètic disseny que pot quedar pràcticament sense cap tipus de pèrdua. A més, aquest disseny ideal pot tenir el seu bobinatge primari i secundari perfectament unit entre si.

És a dir, l’enllaç magnètic entre els dos bobinatges es realitza a través d’un nucli la permeabilitat magnètica del qual és infinit i amb inductàncies de bobinatge a una força magnetomotriu zero.

Sabem que en un transformador, el corrent altern aplicat al bobinatge primari intenta aplicar un flux magnètic variable dins del nucli del transformador, que també inclou el bobinatge secundari envoltat al seu voltant.

A causa d’aquest flux variable, s’indueix una força electromotriu (CEM) al bobinatge secundari mitjançant la inducció electromagnètica. Això resulta en la generació de flux al bobinatge secundari amb una magnitud oposada però igual al flux de bobinatge primari, segons Llei de Lenz'z .

Com que el nucli té una permeabilitat magnètica infinita, tot el flux magnètic (100%) es pot transferir a través dels dos bobinats.

Això implica que, quan el primari està sotmès a una font de corrent altern i es connecta una càrrega als terminals de bobinatge secundaris, el corrent circula pel bobinatge respectiu en direccions tal com s’indica al diagrama següent. En aquesta condició, la força magnetomotriu del nucli es neutralitza a zero.

Imatge cortesia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

En aquest disseny ideal del transformador, atès que la transferència de flux a través del bobinatge primari i secundari és del 100%, segons la llei de Faraday, la tensió induïda en cadascun dels bobinats serà perfectament proporcional al nombre de voltes del bobinat, tal com es mostra a continuació figura:

Prova de vídeo que verifica la relació lineal entre la relació de torn primària / secundària.

GIRES I RELACIONS DE TENSIÓ

Intentem comprendre detalladament els càlculs de la ràtio de gir:

La magnitud neta de la tensió induïda des del bobinatge primari al secundari es determina simplement per la proporció del nombre de voltes enrotllades sobre les seccions primària i secundària.

Tanmateix, aquesta regla només s'aplica si el transformador és a prop d'un transformador ideal.

Un transformador ideal és aquell transformador que té pèrdues insignificants en forma d’efecte cutani o corrent de Foucault.

Prenem l'exemple de la figura 1 següent (per a un transformador ideal).

Suposem que l’enrotllament primari consta d’uns 10 girs, mentre que el secundari només té un sol gir. A causa de la inducció electromagnètica, les línies de flux generades a través del bobinatge primari en resposta a l’entrada d’alimentació alternativa s’expandeixen i s’enfonsen, tallant les 10 voltes del bobinatge primari. Això resulta en una quantitat proporcional de tensió precisament induïda a través del bobinatge secundari en funció de la relació de gir.

L’enrotllament subministrat amb entrada de corrent altern es converteix en l’enrotllament primari, mentre que l’enrotllament complementari que produeix la sortida mitjançant la inducció magnètica del primari es converteix en l’enrotllament secundari.

Figura 1)

Com que el secundari només té un sol gir, experimenta un flux magnètic proporcional a través del seu únic gir en relació amb els 10 girs del primari.

Per tant, atès que la tensió aplicada a la primària és de 12 V, llavors cadascun dels seus bobinatges seria sotmès a un comptador EMF de 12/10 = 1,2 V, i aquesta és exactament la magnitud de la tensió que estaria influint en el sol gir present a través de la secció secundària. Això es deu al fet que té un únic bobinatge que és capaç d’extreure només la mateixa quantitat d’inducció equivalent que pot estar disponible a la volta única del primari.

Així, el secundari amb un sol gir seria capaç d’extreure 1,2 V del primari.

L'explicació anterior indica que el nombre de voltes sobre un transformador primari correspon linealment amb la tensió d'alimentació que el travessa i la tensió simplement es divideix pel nombre de voltes.

Així, en el cas anterior, ja que la tensió és de 12 V i el nombre de voltes és de 10, el comptador net EMF induït a cadascun dels girs seria de 12/10 = 1,2 V

Exemple 2

Ara visualitzem la figura 2 següent, mostra un tipus de configuració similar a la figura1. esperem que el secundari que ara té 1 torn addicional, és a dir, 2 números de torns.

No cal dir que ara el secundari passaria pel doble de línies de flux en comparació amb la condició de la figura 1 que només tenia un sol gir.

Així doncs, aquí el bobinatge secundari es llegiria al voltant de 12/10 x 2 = 2,4 V perquè les dues voltes estarien influenciades per una magnitud de comptador EMF que pot ser equivalent a través dels dos bobinatges del costat primari del trafo.

Per tant, a partir de la discussió anterior, en general, podem concloure que en un transformador la relació entre la tensió i el nombre de voltes a través del primari i el secundari són bastant lineals i proporcionals.

Números de torn del transformador

Per tant, la fórmula derivada per calcular el nombre de voltes per a qualsevol transformador es pot expressar com:

Es / Ep = Ns / Np

on,

• Es = Voltatge secundari ,
• Ep = Voltatge primari,
• Ns = Nombre de girs secundaris,
• Np = Nombre de girs primaris.

Ràtio de torn primària secundària

Seria interessant assenyalar que la fórmula anterior indica una relació directa entre la proporció del voltatge secundari a primari i el nombre de voltes secundari a primari, que s’indica que són proporcionals i iguals.

Per tant, l'equació anterior també es pot expressar com:

Ep x Ns = Es x Np

Més endavant, podem obtenir la fórmula anterior per resoldre Es i Ep, tal com es mostra a continuació:

Es = (Ep x Ns) / Np

de la mateixa manera,

Ep = (Es x Np) / Ns

L'equació anterior mostra que si hi ha 3 magnituds disponibles, la quarta magnitud es podria determinar fàcilment resolent la fórmula.

Resolució de problemes pràctics de bobinatge de transformadors

Cas en el punt # 1: Un transformador té 200 nombres de voltes a la secció primària, 50 nombres de voltes a la secundària i 120 volts connectats a través de la primària (Ep). Quina pot ser la tensió a través del secundari (E s)?

Dada:

• Np = 200 voltes
• Ns = 50 voltes
• Ep = 120 volts
• És =? volts

Resposta:

És = EPNS / Np

Substitució:

Es = (120V x 50 voltes) / 200 voltes

És = 30 volts

Cas en el punt # 2 : Suposem que tenim 400 voltes de filferro en una bobina de nucli de ferro.

Suposant que s’ha d’utilitzar la bobina com a bobinatge primari d’un transformador, calculeu el nombre de voltes que cal enrotllar a la bobina per adquirir el bobinatge secundari del transformador per assegurar un voltatge secundari d’un volt amb una situació en què el tensió és de 5 volts?

Dada:

• Np = 400 voltes
• Ep = 5 volts
• És = 1 volts
• Ns =? girs

Resposta:

EpNs = EsNp

Transposició per a Ns:

Ns = EsNp / Ep

Substitució:

Ns = (1V x 400 voltes) / 5 volts

Ns = 80 voltes

Tenir en compte: La relació de la tensió (5: 1) és equivalent a la relació de bobinatge (400: 80). De tant en tant, com a substitut de valors particulars, us trobeu assignat amb una relació de volta o tensió.

En casos com aquest, podeu assumir qualsevol número arbitrari per a una de les tensions (o bobinatge) i calcular l'altre valor alternatiu a partir de la relació.

A tall d’il·lustració, suposem que una relació d’enrotllament s’assigna com a 6: 1, podríeu imaginar una quantitat de gir per a la secció primària i esbrinar el nombre secundari equivalent de voltes, utilitzant proporcions similars com 60:10, 36: 6, 30: 5, etc.

El transformador de tots els exemples anteriors comporta un nombre menor de voltes a la secció secundària en comparació amb la secció primària. Per aquest motiu, podeu trobar una menor quantitat de voltatge a través del secundari del trafo en lloc del costat primari.

Què són els transformadors Step-Up i Step-Down

Un transformador que té una tensió lateral secundària nominal inferior a la tensió lateral primària nominal es coneix com a Transformador STEP-DOWN .

O, alternativament, si l'entrada CA s'aplica al bobinatge que té un nombre més alt de voltes, el transformador actua com un transformador descendent.

La proporció d’un transformador reduït de quatre a un s’inscriu com a 4: 1. Un transformador que inclogui un nombre menor de voltes al costat primari en comparació amb el costat secundari generarà una tensió més elevada a través del costat secundari en comparació amb la tensió connectada al costat principal.

Un transformador que té un costat secundari nominal per sobre del voltatge a través del costat primari es denomina transformador STEP-UP. O, alternativament, si l’entrada de CA s’aplica a un bobinatge que té un nombre inferior de voltes, el transformador actua com un transformador intensiu.

La proporció d’un transformador incremental d’un a quatre s’ha d’inscriure com a 1: 4. Com podeu veure a les dues relacions, la magnitud del bobinat lateral primari s’esmenta constantment al principi.

Podem utilitzar un transformador escalonat com a transformador escalonat i viceversa?

Sí, definitivament! Tots els transformadors funcionen amb el mateix principi fonamental descrit anteriorment. Utilitzar un transformador de pujada com a transformador de baixada significa simplement canviar les tensions d’entrada a través del seu bobinatge primari / secundari.

Per exemple, si teniu un transformador de subministrament d’alimentació ordinari que us proporciona una sortida de 12-0-12V des d’una entrada de CA de 220V, podeu utilitzar el mateix transformador que un transformador de pujada per produir una sortida de 220V a partir de 12V de CA entrada.

Un exemple clàssic és un circuit inversor , on els transformadors no tenen res d’especial. Tots funcionen amb els transformadors descendents habituals connectats de manera contrària.

Impacte de la càrrega

Sempre que es connecta una càrrega o un dispositiu elèctric a través del bobinat secundari d’un transformador, el corrent o els amplificadors circulen pel costat secundari del bobinatge juntament amb la càrrega.

El flux magnètic generat pel corrent en el bobinatge secundari interactua amb les línies magnètiques de flux generades pels amplificadors del costat primari. Aquest conflicte entre les dues línies de fluxos es genera com a resultat de la inductància compartida entre el bobinatge primari i secundari.

Flux mutu

El flux absolut en el material central del transformador és predominant tant en els bobinatges primaris com en els secundaris. A més, és una manera a través de la qual l'energia elèctrica pot migrar del bobinatge primari al bobinat secundari.

A causa del fet que aquest flux uneix els dos enrotllaments, el fenomen generalment conegut com a FLUIX MUTUAL. A més, la inductància que genera aquest flux és predominant ambdues bobinacions i es denomina inductància mútua.

La figura (2) següent mostra el flux creat pels corrents al bobinatge primari i secundari d’un transformador cada vegada que s’encén el corrent d’alimentació al bobinatge primari.

Figura (2)

Sempre que la resistència de càrrega està connectada al bobinatge secundari, la tensió estimulada al bobinatge secundari provoca que el corrent circuli pel bobinat secundari.

Aquest corrent produeix uns anells de flux al voltant del bobinatge secundari (indicats com a línies de punts) que poden ser una alternativa al camp de flux al voltant del primari (llei de Lenz).

En conseqüència, el flux al voltant del bobinatge secundari cancel·la la major part del flux al voltant del bobinatge primari.

Amb una quantitat menor de flux que envolta l’enrotllament primari, es redueix l’emf inversa i s’amplia més amplificador del subministrament. El corrent suplementari del bobinatge primari allibera línies de flux addicionals, restablint pràcticament la quantitat inicial de línies de flux absolutes.

TORNADES I RATIOS ACTUALS

La quantitat de línies de flux produïdes en un nucli trafo és proporcional a la força d'imantació

(A AMPERE-GIRES) dels bobinatges primaris i secundaris.

L'amperi-gir (I x N) és indicatiu de la força motriu magnètica. Es pot entendre que és la força magnetomotriu produïda per un amper de corrent en una bobina d'1 torn.

El flux disponible al nucli d’un transformador envolta els bobinatges primari i secundari.

Tenint en compte que el flux és idèntic per a cada bobinatge, els girs d'amperis de cada bobinatge primari i secundari sempre haurien de ser els mateixos.

Per aquesta raó:

IpNp = IsNs

On:

IpNp = amperes / girs al bobinatge primari
IsNs - Amperes / girs al bobinatge secundari

En dividir els dos costats de l’expressió per
Ip , obtenim:
Np / Ns = Is / Ip

des de: Es / Ep = Ns / Np

Després: Ep / Es = Np / Ns

També: Ep / Es = Is / Ip

on

• Ep = tensió aplicada a través del primari en volts
• Es = tensió a través del secundari en volts
• Ip = actual a la principal a Amp
• Is = actual a la secundària en amplificadors

Tingueu en compte que les equacions indiquen que la relació d’amperis és la inversa del bobinat o la relació de volta, així com la relació de tensió.

Això implica que un transformador que tingui menys nombre de voltes al costat secundari en comparació amb el principal pot reduir la tensió, però augmentaria el corrent. Per exemple:

Un transformador suposa que té una relació de tensió de 6: 1.

Intenteu trobar el corrent o els amplificadors al costat secundari si el corrent o l'amplificador del costat principal és de 200 miliamperis.

Suposem

Ep = 6V (com a exemple)
És = 1V
Ip = 200 mA o 0,2 amp
És =?

Resposta:

Ep / Es = Is / Ip

Transposició per a:

Is = EpIp / Es

Substitució:

És = (6V x 0,2A) / 1V
És = 1,2A

L'escenari anterior aborda que, tot i que la tensió del bobinatge secundari és una sisena part del voltatge del bobinatge primari, els amplificadors del bobinatge secundari són 6 vegades els amperes del bobinatge primari.

Les equacions anteriors es podrien veure molt bé des d’una perspectiva alternativa.

La relació de bobinatge significa la suma a través de la qual el transformador millora, augmenta o redueix la tensió connectada al costat primari.

Només per il·lustrar-ho, suposem que si el bobinatge secundari d’un transformador té el doble de voltes que el bobinatge primari, la tensió estimulada al costat secundari probablement serà el doble de la volta del bobinatge primari.

En cas que el bobinatge secundari comporti la meitat del nombre de voltes del costat primari, la tensió a través del costat secundari serà la meitat del voltatge del bobinatge primari.

Dit això, la relació de bobinatge juntament amb la relació d'amplificadors d'un transformador comprenen una associació inversa.

Com a resultat, un transformador incremental 1: 2 podria tenir la meitat de l'amplificador al costat secundari en comparació amb el costat principal. Un transformador descendent 2: 1 pot tenir dues vegades l'amplificador del bobinatge secundari en relació amb el costat primari.

Il·lustració: Un transformador amb una relació de bobinatge de 1:12 posseeix 3 amperes de corrent al costat secundari. Esbrineu la magnitud dels amplificadors del bobinatge primari?

Dada:

Np = 1 gir (per exemple)
Ns = 12 voltes
És = 3 amp
Lp =?

Resposta:

Np / Ns = Is / Ip

Substitució:

Ip = (12 voltes x 3 Amp) / 1 volta

Ip = 36A

Càlcul de la inductància mútua

La inducció mútua és un procés en el qual un bobinatge passa per una inducció EMF a causa de la velocitat de canvi de corrent del bobinatge adjacent que condueix a un acoblament inductiu entre el bobinatge.

En altres paraules Inductància mútua és la proporció de l’emf induïda a través d’un bobinatge a la taxa de canvi de corrent de l’altre bobinat, tal com s’expressa en la fórmula següent:

M = emf / di (t) / dt

Fase a Transformers:

Normalment, quan examinem els transformadors, la majoria creiem que la tensió i els corrents de bobinatge primaris i secundaris estan en fase els uns amb els altres. Tot i això, pot ser que això no sempre sigui cert. En els transformadors, la relació entre el voltatge, l'angle de fase del corrent entre primària i secundària es basa en com es fa girar aquests bobinatges al voltant del nucli. Depèn de si tots dos estan en sentit antihorari o en sentit horari o poden ser que un bobinatge es giri en sentit horari mentre que l'altre bobinat en sentit antihorari.

Consulteu els diagrames següents per entendre com afecta l'orientació del bobinatge a l'angle de fase:

A l'exemple anterior, les direccions de bobinatge semblen idèntiques, és a dir, que el bobinatge primari i secundari es giren en el sentit de les agulles del rellotge. A causa d’aquesta orientació idèntica, l’angle de fase del corrent i el voltatge de sortida és idèntic a l’angle de fase del corrent i el voltatge d’entrada.

En el segon exemple anterior, es pot veure la direcció de bobinatge del transformador enrotllada amb orientació oposada. Com es pot veure, la primària sembla ser la direcció de les agulles del rellotge, mentre que la secundària s’enrotlla en sentit antihorari. A causa d’aquesta orientació de bobinatge oposada, l’angle de fase entre els dos bobinats es troba a 180 graus de diferència, i la sortida secundària induïda mostra una resposta de tensió i corrent de fase fora de fase.

Notació de punts i Conveni de punts

Per evitar confusions, s'utilitza la notació de punts o la convenció de punts per representar l'orientació de bobinatge d'un transformador. Això permet a l'usuari entendre les especificacions de l'angle de fase d'entrada i sortida, tant si el bobinatge primari com el secundari estan en fase o desfasats.

La convenció de punts s’implementa mitjançant marques de punts a través del punt d’inici del bobinatge, que indiquen si el bobinatge està en fase o desfasat entre si.

El següent esquema del transformador té una denotació de convenció de punts i significa que el primari i el secundari del transformador estan en fase entre si.

La notació de punts utilitzada a la il·lustració següent mostra els DOT situats als punts oposats del bobinatge primari i secundari. Això indica que l’orientació del bobinatge dels dos costats no és la mateixa i, per tant, l’angle de fase dels dos bobinats quedarà desfasat de 180 graus quan s’aplica una entrada de CA en un dels bobinatges.

Pèrdues en un transformador real

Els càlculs i fórmules considerats als paràgrafs anteriors es basaven en un transformador ideal. Tanmateix, al món real i per a un transformador real, l’escenari pot ser molt diferent.

Trobareu que en un disseny ideal s’ignoraran els següents factors lineals fonamentals dels transformadors reals:

(a) Molts tipus de pèrdues bàsiques, juntes conegudes com a pèrdues de corrent per magnetització, que poden incloure els següents tipus de pèrdues:

• Pèrdues d’histèresi: es produeixen a causa d’influències no lineals del flux magnètic sobre el nucli del transformador.
• Pèrdues de corrent de Foucault: Aquesta pèrdua es genera a causa del fenomen anomenat escalfament de joule al nucli del transformador. És proporcional al quadrat de la tensió aplicada al primari del transformador.

(b) En contrast amb el transformador ideal, la resistència del bobinatge en un transformador real mai no pot tenir una resistència zero. És a dir, l’enrotllament tindrà alguna resistència i inductàncies associades.

• Pèrdues de Joule: Com s'ha explicat anteriorment, la resistència generada a través dels terminals de bobinatge dóna lloc a pèrdues de Joule.
• Flux de fuites: sabem que els transformadors depenen en gran mesura de la inducció magnètica a través del seu bobinat. No obstant això, atès que el bobinatge es construeix sobre un nucli únic comú, el flux magnètic mostra una tendència a filtrar-se a través del bobinat a través del nucli. Això dóna lloc a una impedància anomenada impedància reactiva primària / secundària, que contribueix a les pèrdues del transformador.

(c) Atès que un transformador també és una mena d’inductor, també es veu afectat per fenòmens com la capacitat paràsita i l’autorresonància, a causa de la distribució del camp elèctric. Aquestes capacitats paràsites solen presentar-se en 3 formes diferents, tal com es mostra a continuació:

• Capacitat generada entre les voltes una sobre l'altra dins d'una sola capa
• Capacitat generada en dues o més capes adjacents
• Capacitat creada entre el nucli del transformador i les capes de bobinatge adjacents al nucli

Conclusió

A partir de la discussió anterior, podem entendre que en aplicacions pràctiques el càlcul d’un transformador, especialment un transformador de nucli de ferro, pot no ser tan senzill com ho seria un transformador ideal.

Per obtenir els resultats més precisos per a les dades de liquidació, haurem de tenir en compte molts factors com: densitat de flux, àrea del nucli, mida del nucli, amplada de la llengüeta, àrea de la finestra, tipus de material del nucli, etc.

Podeu obtenir més informació sobre tots aquests càlculs sota aquesta publicació: