Wenn ein Transformator die Sekundärseite offen hat und von einer Wechselstromquelle angetrieben wird, ist der einzige Strom, den die Primärseite zieht, der Strom, der benötigt wird, um den Fluss zu erzeugen, um den Kern (wie Ferrit) des Transformators zu magnetisieren.
Dann belasten wir die Sekundärseite, dh einen Widerstand über der Sekundärspule. Jetzt zieht die Primärspule mehr Strom: Nehmen wir an, dies ist ein Aufwärtstransformator, sodass wir wissen, dass die Spannung an der Sekundärspule ein Vielfaches der Spannung an der Primärspule ist. Um den Strom auf der Sekundärseite zu erhalten, teilen wir die erhöhte Spannung durch den Widerstandswert des Widerstands. Um Energie zu sparen, muss die Primärseite nun mehr Strom ziehen, damit die Leistung (Produkt aus Spannung und Strom) auf beiden Seiten gleich ist.
Aber was ist der eigentliche physikalische Mechanismus (mangels eines besseren Wortes), warum dieser zusätzliche Strom von der Primärseite gezogen werden muss? Ich meine, die Natur weiß nicht, dass wir ein Energieerhaltungsgesetz haben, oder dass das Produkt aus Spannung und Strom auf beiden Seiten gleich sein muss.
Ich nehme an, das hat etwas mit Flussmitteln zu tun. Der Magnetisierungsstrom stellt den Fluss ein, der die erhöhte Spannung über die Sekundärspule legt. Diese Spannung bewirkt, dass auf der Sekundärseite Strom fließt. Dieser Strom oszilliert und fließt durch die Sekundärspule, wodurch ein magnetischer Fluss erzeugt wird. Jetzt hat der Kern Fluss vom Magnetisierungsstrom und vom größeren Strom, der jetzt in der Sekundärseite fließt. Anscheinend "will" die Primärseite diesen Fluss von der Sekundärseite mit einem eigenen Fluss bekämpfen und "schiebt" daher mehr Strom (mehr als den anfänglichen Magnetisierungsstrom) durch ihre eigene Spule (die Primärspule des Transformators). Ich verstehe auch, warum es sinnvoll ist, dass das Stromverhältnis gleich dem Spulenverhältnis ist: Wenn die Sekundärseite mehr Windungen hat,
Ich kenne auch das äquivalente Modell des Transformators und wie sich der ideale Transformator von einem echten unterscheidet. Ein Blick auf das äquivalente Modell hat mir nicht weitergeholfen. Was ist also der physikalische Grund, warum mehr Strom in die Primärseite "fließen" muss, wenn Strom aus der Sekundärseite gezogen wird?
Ich denke, es gibt einen einfacheren Mechanismus, den niemand erwähnt hat. Wenn ein Strom durch die Sekundärwicklung zu fließen beginnt, erzeugt dieser Strom einen entgegengesetzten magnetischen Fluss (gemäß dem Induktionsgesetz).
In diesem Fall schwächt sich der magnetische Fluss im Eisenkern ab. Dies bedeutet auch, dass weniger Spannung in der Primärwicklung induziert wird (siehe wieder das Induktionsgesetz). Infolgedessen steigt die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und der primär induzierten Spannung, was bedeutet, dass mehr Strom von der "Quelle" und natürlich durch die Primärseite zu fließen beginnt.
Denken Sie an zwei sehr eng beieinander liegende Drahtschleifen. Wenn Sie eine Wechselspannung an eine Schleife anlegen, wäre die induzierte Spannung an der anderen Schleife gleich. Wenn eine Last in der zweiten Schleife Strom aufnimmt, ändert sich die Spannung nicht, weil die beiden Schleifen physikalisch so nahe beieinander liegen. Wenn sich die Spannung unter Last nicht ändert, muss der magnetische Fluss, der beide Spulen koppelt, konstant bleiben. Das ist das Faradaysche Induktionsgesetz und es ist der absolute Schlüssel zum Verständnis dieses Problems.
Wenn (als Gedankenexperiment) der Fluss erhöht worden wäre, würde dies mehr Sekundärspannung und damit mehr Strom und damit mehr Fluss erzeugen und dies würde außer Kontrolle geraten. Das kann nicht passieren! Es gilt das Faradaysche Gesetz.
Kurz gesagt, die Primärseite nimmt einen zusätzlichen Strom auf, dessen Fluss genau den Fluss aufhebt, der durch den Strom in der Sekundärseite erzeugt wird, nur den Magnetisierungsfluss.
Die Lastflüsse heben sich auf, weil diese zusätzlichen Ströme die gleiche Größe haben, aber in entgegengesetzte Richtungen wirken. Wenn Sie einen Aufwärts- oder Abwärtstransformator haben, sind die Ampere-Windungen (magnetomotorische Kräfte) gleich, aber für eine einfache 1: 1-Situation ist es einfacher, nur in Ampere als in Ampere-Windungen zu sprechen.
So wurde es mir beigebracht und ist meiner Meinung nach ziemlich leicht zu verstehen.
Betrachten Sie die folgende Transformatorschaltung.
Durch die Quelle wird ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld erzeugt effektiv eine Gegen-EMK über der Primärseite. In einem idealen Transformator ohne Last am Ausgang, wenn das Feld stark genug ist, dass die Gegen-EMK die angelegte Spannung aufhebt, sodass kein Strom fließen kann.
Wenn eine Last angelegt wird, versucht der von der Last aufgenommene Strom, das Feld im Transformator zu ändern. Die Feldänderung reduziert wiederum die Gegen-EMK auf der Primärseite. Es besteht nun ein Ungleichgewicht der Spannungen auf der Primärseite, sodass Strom von der Quelle fließt, um das Transformatorfeld aufrechtzuerhalten.
Das Verhältnis, wie viel der Laststrom versucht, das Feld zu ändern, und wie viel die Versorgung anwenden muss, um es zu bekämpfen, wird durch das Windungsverhältnis bestimmt. Der Energieaufwand ist auf beiden Seiten gleich.
Ein Transformator ist in vielerlei Hinsicht ein echter Flusskondensator.
All dies geschieht natürlich mit Lichtgeschwindigkeit und subatomar, und der makroskopische Nettoeffekt auf den Transformatorfluss ist eine messbare Änderung von null.
BEARBEITEN: Ich sehe einige negative Reaktionen auf diese Antwort, von denen ich sicher bin, dass sie entweder durch mein schlechtes Schreiben oder durch das stoische Festhalten an den Definitionen von Savart, Maxwell und Faraday erzeugt werden. Das ist gut. Ich möchte jedoch darauf hinweisen, dass sich die letzteren Gleichungen und Theorien auf die makroskopisch messbaren Effekte beziehen, nicht auf die quanten- und zeitabhängigen Effekte auf atomarer Ebene. Es gibt interessante Literatur zur Störungstheorie und insbesondere zur Rekonstruktion makroskopischer Maxwell-Gleichungen: Eine einzelne Suszeptibilitätstheorie
BEARBEITEN 2:
Da ich glaube, dass ich mein Modell nicht sehr gut erklärt habe, möchte ich es euch mal anders zeigen.
Für den Moment nehmen die Linken Flussmittel aus dem Bild. Dieses Beispiel zerlegt den Transformator in zwei ideale und gleiche Motoren/Generatoren, die wie unten gezeigt durch Zahnräder miteinander verbunden sind.
Die Spulen in der Primärspule drehen nun einen Rotor, der wiederum einen äquivalenten Rotor im Generator dreht. Die Drehzahl des Motors wird durch die Gegen- EMK-Konstante bestimmt und reguliert sich in einem idealen Motor selbst auf diese Spannung.
Wie Sie sehen können, folgt die Ausgangsspannung der gleichen Formel wie die eines Transformators, d. h. .
Wenn Strom von der Sekundärseite gezogen wird, wendet er ein Bremsmoment auf den Generator an. Um die geregelte Drehzahl beizubehalten, MUSS der Motor das gleiche Drehmoment aufbringen, um dieses Bremsmoment auszugleichen. Der Motor muss daher die entsprechende Strommenge verbrauchen, um dieses Drehmoment zu erzeugen.
Auch hier folgt die Formel für diese Stromübertragung der traditionellen Transformatorgleichung von .
Als solches können Sie sehen, dass das obige Modell genau darstellt, wie wir die Funktionsweise eines Transformators verstehen.
Natürlich funktioniert ein Transformator nicht ganz so, da das Obige impliziert, dass er in Gleichstrom funktionieren würde. Dieses Modell muss wirklich erweitert werden, um den Primärmotor zu einer idealen rotierenden Schwingspule zu machen, bei der die Gegen-EMK-Konstante in Volt pro Rotationsgrad gemessen wird, aber die Mathematik funktioniert immer noch gleich.
In einem tatsächlichen Transformator passiert das Gleiche, nur dass die Bewegungen auf atomarer Ebene stattfinden, wenn Elektronen und Atome sich im Tanz, der Elektromagnetismus ist, neu anordnen.
Aber was ist der tatsächliche physikalische Mechanismus (in Ermangelung eines besseren Wortes), warum dieser zusätzliche Strom von der Primärseite gezogen werden muss?
Die in die Spule eingebrachte Energie kann ein Magnetfeld erzeugen. Wenn diese Spule allein wäre, wäre das alles, was sie tun würde. Da es eine weitere Spule gibt, wirkt das Magnetfeld (Energieübertragung) auf die Elektronen in der Sekundärseite und kann eine Spannung erzeugen (um in einem anderen Teil des Stromkreises mehr Arbeit zu leisten). Wenn jedoch die Sekundärseite nicht belastet wird, wird keine Arbeit geleistet und die Elektronen bewegen sich nicht. Es wird immer noch Spannung erzeugt, aber es ist, als ob die Sekundärseite nicht da wäre und der Transformator sich eher wie eine Induktivität verhält und nur ein Magnetfeld erzeugt.
Was ist also der physikalische Grund, warum mehr Strom in die Primärseite "fließen" muss, wenn Strom aus der Sekundärseite gezogen wird?
Da die Elektronen in der Sekundärseite unter dem Einfluss eines Magnetfeldes stehen, wollen sie sich bewegen. Dadurch wird eine Spannung (und Strom) erzeugt. Die Modelle vernachlässigen (normalerweise) das Magnetfeld, da die meisten Zeitreihensimulationen nur Spannung und Strom verwenden, ist die Berechnung des Magnetfelds für die meisten Menschen unnötig.
Windungen, Drehungen und andere Variablen sind nur Möglichkeiten, um zu vereinfachen, was wirklich vor sich geht. Jeder sich bewegende Ladungsträger (Elektron) erzeugt ein Magnetfeld und dieses Magnetfeld kann andere Elektronen bewegen. Da wir das Feld nicht für jede Ladung berechnen wollen, verwenden wir die Vektorrechnung, um diesen Prozess mit diesen Gesetzen zu vereinfachen: Biot Savart und Maxwells Gleichungen und Faradays Induktionsgesetz . Diese werden dann vereinfacht, um die Transformatorgleichungen zu erhalten
Lassen Sie uns über den idealen Transformator sprechen, da Sie versuchen, ein Konzept zu erhalten. Wenn die Sekundärseite offen ist, bedeutet kein Strom in der Sekundärseite, dass kein Magnetfeld in der Sekundärseite erzeugt wird. In der Primärseite wirkt das erzeugte Magnetfeld nach dem Gesetz von Lenz der Quelle entgegen, die es verursacht hat. Im Wesentlichen wird eine Spannung induziert, die der Quelle entgegengesetzt ist. Das hält den Strom klein. Wenn Sie jetzt die Last hinzufügen, kann Strom in der Sekundärseite fließen. Dadurch entsteht in der Sekundärwicklung ein Magnetfeld. Wieder sagt das Gesetz von Lenz, dass dies dem sich ändernden Feld entgegenwirken wird, das es verursacht hat. Das heißt, es steht im Gegensatz zum primären Feld. Dies reduziert die EMK in der Primärwicklung, wodurch mehr Primärstrom fließen kann. Dies ist sehr vereinfacht, aber ich hoffe, es wird Ihnen helfen, es zu sehen.
In meiner kurzen Ausbildung habe ich die Gesetze und Gleichungen von Maxwell und Faraday gelernt, aber ich habe niemanden gesehen, der die Auswirkungen von Transformatorverlusten wie Primärwicklungswiderstand / Leckage, die Auswirkungen von Wirbelströmen im Kern auf die Primärwicklung (als Primärwicklung) erwähnt lädt/ändert den Fluss im Kern). Eine Person erwähnte den Luftwiderstand zwischen den offenen Sekundärenden, versäumte jedoch zu erwähnen, dass die Sekundärseite auch eine winzige Belastung durch ihren eigenen Wicklungswiderstand und Isolationslecks erfahren würde.
All diese Unvollkommenheiten könnten erklärt werden und würden erklären, warum die Primärseite selbst bei einer offenen Sekundärseite immer noch zumindest etwas Strom zieht. Verzeihen Sie mir, wenn dies eher eine philosophische Antwort ist als eine harte Tatsache, die mit Kalkül gefüllt ist. Elektronik ist für mich mehr Leidenschaft als Beruf. (22 Jahre als Kollisionsrahmentechniker)
Eugen Sch.
Tyler
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David Tweed
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