Frage zum Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärspulenstrom des Transformators

Ein Transformator besteht im Grunde aus zwei Drahtspulen (Induktoren), die sich einen gemeinsamen Kern teilen. Wenn Sie keine Last an die Sekundärseite anschließen, können Sie einen Transformator genauso gut als Induktor betrachten. Dieser Induktor hat (offensichtlich) eine Induktivität und der Strom, den er aufnimmt, hängt von der angelegten Spannung, Frequenz und Induktivität ab. Daher ist die Anzahl der Windungen an einem Wechselstromtransformator normalerweise ziemlich hoch und liegt im Bereich von tausend Windungen.

Dies bedeutet, dass einige Henry Induktivität und möglicherweise etwa 100 mA RMS-Strom entnommen werden. Dies ist nur der Primärstrom, ohne dass Sekundärstrom entnommen wird. Dies ist typisch für einen Transformator mit einem VA-Nennwert von etwa 30 VA und variiert für verschiedene Transformatoren in verschiedenen Anwendungen, dh es ist nur eine grobe Richtlinie, um ein Gefühl für die beteiligten Zahlen zu vermitteln.

Dieser Strom wird als Magnetisierungsstrom bezeichnet und ist die Hauptquelle für Sättigungsprobleme des Transformatorkerns. Es bleibt immer präsent, unabhängig davon, welchen Strom Sie von der Sekundärseite nehmen, aber natürlich wird es durch den Primärstrom hinzugefügt, der beim Anschließen einer Last an die Sekundärseite verursacht wird.

Bei einem einfachen (und ansonsten perfekten) 1:1-Transformator mit 0,1 A Magnetisierungsstrom und einem ohmschen Laststrom von 1 A auf der Sekundärseite besteht der gesamte Primärstrom aus dem Magnetisierungsstrom von 0,1 A und dem Laststrom von 1 A.

Da der Laststrom resistiv ist (wie angegeben) und der Magnetisierungsstrom auf die Primärinduktivität zurückzuführen ist, sind die beiden Ströme um 90 Grad phasenverschoben, daher der gesamte Primärstrom$\sqrt{1^2+0.1^2}$= 1,005 A.

Bei einem 10:1-Abwärtstransformator mit 10 A auf der Sekundärseite ist dies genau derselbe Primärstrom.

Die Dinge etwas verkomplizieren; Der Magnetisierungsstrom ist nicht besonders sinusförmig, da Eisen / Stahl usw. keine lineare Beziehung zwischen angelegtem Feld (Amperewindungen) und Flussdichte (Teslas) haben. Dieses Verhältnis ist die Permeabilität des Kernmaterials$\mu$. Außerdem weist die Beziehung eine Hysterese auf, und dies führt zu einem Widerstandsverlust (der nicht überraschend als Hystereseverlust bezeichnet wird), sodass jetzt ein zusätzlicher Strom in der Primärwicklung vorhanden ist (unabhängig vom sekundären Laststrom, der von der Primärwicklung gesehen wird).

Da der Stahl-Eisen-Kern ein Leiter ist, kann er wie eine kurzgeschlossene Windung wirken, daher werden Laminate verwendet, die voneinander isoliert sind, so dass Sie nur kleine Wirbelströme in jedem Laminat bekommen. Diese kleinen Ströme, die durch das Eisen/den Stahl fließen, erzeugen Wärme, und dies ist ein weiterer Verlust, der nichts mit dem Laststrom zu tun hat. Zusammenfassend sind die Ströme in der Primärseite also: -

• Magnetisierung (reaktiv und kein Verlust)
• Hysterese Verluststrom (ohmsch)
• Wirbelstromverluste (ohmsch)
• Strom laden

Hinweis: Hysterese- und Wirbelstromverlust werden manchmal unter dem Begriff „Eisenverlust“ zusammengefasst.

Aber auch die Streuinduktivität und der Wicklungswiderstand sind zu berücksichtigen. Jeder Strom, der in der Sekundär- oder Primärseite fließt, fließt durch Kupfer, hat aber immer noch einen Widerstand und es tritt ein kleiner Spannungsabfall auf$I^2R$Leistungsverlust (Kupfer). Außerdem koppeln nicht alle Windungen in der Primärwicklung zu 100 % magnetisch mit allen Windungen in der Sekundärwicklung, sodass tatsächlich Streuinduktivitäten vorhanden sind, die (wie Kupferverluste) die Ausgangsspannung auf der Sekundärwicklung unter Lastbedingungen reduzieren.

Es läuft alles auf das Ersatzschaltbild eines Transformators hinaus: -

$X_P$Und$X_S$sind die Streuinduktivitäten, dh die Windungen, die nicht koppeln.$R_P$Und$R_S$sind die Kupferverluste von primär und sekundär.$R_C$repräsentiert den Kernverlust (Wirbelstrom- und Hystereseverluste) und$X_M$ist die Magnetisierungsinduktivität.

Was bleibt, ist ein perfekter verlustfreier Transformator, dargestellt durch das Transformatorsymbol im Bild; Es hat perfekte Eigenschaften und überträgt die Leistung zu 100 % effizient - alle Komponenten, die darum herum aufgehängt sind, verwandeln diesen perfekten Transformator in den alltäglichen unvollkommenen Transformator, den wir verwenden.

Wenn keine Last an die Sekundärseite angeschlossen ist, liegt die Magnetisierungsinduktivität direkt über der Leitung (zusammen mit einer gewissen Streuinduktivität).

Ohne Verbindung zur Sekundärseite haben Sie nur die Primärwicklungen um einen Kern, die eine Induktivität bilden. Wenn alles ideal wäre, wäre der Strom in der Primärwicklung zu 100 % reaktiv und durch Vin/Xl gegeben.

Es wird einen gewissen ESR geben, der mit den Primärwicklungen sowie Näherungs- und Wechselstromverlusten verbunden ist. Der Strom ist also proportional zur Gesamtimpedanz über die Leitung mit reaktiven und realen Komponenten. Wenn es sich um einen "guten" Transformator handelt, ist der Strom immer noch größtenteils reaktiv.

Wenn Sie beginnen, Strom von der Sekundärseite zu ziehen, erhöht sich der Primärstrom basierend auf dem Windungsverhältnis. Np/Ns = Is/Ip, wobei einige der lastabhängigen Verluste vernachlässigt werden.

Wikipedia hat eine anständige Erklärung sowie die Standard-Ersatzschaltung, die Sie verwenden können, um genauer als oben zu sein:

Wikipedia-Artikel über Transformatoren

Das physikalische Prinzip, das es Energie ermöglicht, den Transformator zu durchqueren, ist die magnetische Übertragung (Gegeninduktivität). Der Wechselstrom in der Primärwicklung erzeugt ein Magnetfeld, das größtenteils (aber nicht vollständig) im Kern des Transformators enthalten ist. Das Magnetfeld im Kern des Transformators induziert einen proportionalen Strom in der Sekundärseite.

Ein imaginärer "perfekter" Transformator würde keinen Strom von der Primärseite ziehen, wenn die Sekundärseite getrennt wäre, aber Transformatoren in diesem Universum haben Verluste. Sie können dies erleben, indem Sie Ihren Transformator ohne Last an eine Stromquelle anschließen, eine Stunde lang weggehen, zurückkommen und feststellen, dass es warm ist.

Der Strom in der Primärseite verursacht ein Magnetfeld, das Magnetfeld verursacht eine Spannung, die den Strom in der Primärseite hemmt. Dies wird als "Magnetisierungsstrom" bezeichnet.

Das magnetische Feld verursacht auch Spannung in der Sekundärseite.

Wenn Strom in der Sekundärseite fließen darf, wird ein Teil des Magnetfelds aufgehoben, dies verringert die Spannung, die den Strom in der Primärseite hemmt, wodurch auch in der Primärseite mehr Strom fließen kann.