Transformatorenbau

Warum haben wir nicht 11 Umdrehungen auf der Primärseite und 440 Umdrehungen auf der Sekundärseite? Theoretisch würde uns dies die erforderlichen Spannungsverhältnisse und viel weniger Gewicht geben. Warum funktioniert es nicht? Was vermisse ich?

Warum nicht eine Umdrehung auf der Primärseite und 40 Umdrehungen auf der Sekundärseite, könnten Sie genauso gut fragen. Bei so ziemlich jeder normalen Kerngröße können Sie für eine Umdrehung eine Induktivität zwischen 1 uH und 100 uH erhalten. Angenommen, Sie erhalten 10 uH und Ihre Wechselspannung lag bei 50 Hz. Die Primärwicklung mit einer Windung hat eine Induktivität von 10 uH und bei 50 Hz ist dies eine Impedanz von 3,14 Milliohm, dh ohne Last an der Sekundärseite zieht die Primärwicklung allein einen Strom von 3500 Ampere aus Ihrer 11-Volt-Wechselstromversorgung . Das will jetzt niemand.

Mit 11 Windungen ist die Induktivität nicht nur 11-mal höher, sondern 11-mal zum Quadrat höher, sodass die Induktivität jetzt 1,21 mH und die Reaktanz 0,38 Ohm beträgt und einen unbelasteten Primärstrom von 29 Ampere aufnehmen kann - dh viel besser, aber immer noch nicht das großartig, aber sehen Sie den Punkt hier - unabhängig davon, ob der Eisenklumpen ein Transformator ist, er hat immer noch eine primäre Restinduktivität, die zu viel Blindstrom von Ihrer 11-Volt-Wechselstromquelle aufnehmen kann, und es ist sinnvoll, diesen zu minimieren. Bei 44 Windungen würde die Induktivität um 16 auf 19,4 mH ansteigen und der Reststrom um 16 auf ca. 1,8 Ampere sinken - das dürfte sinnvoller sein.

Vielleicht möchten Sie natürlich höher gehen, aber dann haben Sie viel mehr Kupfer und es kommt zu einem Kompromiss zwischen Restmagnetisierungsstrom (der zu Kernsättigungsverlusten führt) und Kupferverlusten. Mehr Windungen bedeuten weniger Kernverluste, aber möglicherweise inakzeptable Kupferverluste ($I^2R$).

Aus diesem Grund verwenden SMPS-Geräte Schaltfrequenzen von typischerweise 100 kHz – 10 uH haben eine Impedanz von 6,28 Ohm (im Vergleich zu 3,14 Milliohm bei 50 Hz).

• Unter Verwendung des Beispiels einer Windung mit einer Induktivität von 10 uH, die 3500 Ampere zieht, bedeutet dies eine magnetomotorische Kraft (MMF) von 3500 Ampere-Windungen.
• Bei 11 Windungen beträgt die Induktivität 1,21 mH und der Strom 29 Ampere oder ein MMF von 319 Amperewindungen
• Bei 44 Windungen beträgt die MMF etwa 80 Ampere Windungen.

Um eine geringere Anzahl von Windungen aufzunehmen und eine Sättigung zu verhindern, muss entweder die Kernquerschnittsfläche vergrößert werden (erzeugt mehr Induktivität pro einzelner Windung) oder die Kernlänge muss vergrößert werden (verringert das H-Feld), wenn Sie also sagen: -

dies würde uns die erforderlichen Spannungsverhältnisse und viel weniger Gewicht geben

Sie sind irregeführt.

Dies geschieht eigentlich, um den Magnetisierungsstrom ohne Last zu begrenzen. Sie wissen vielleicht, dass die induzierte EMK in einem Transformator proportional zur Flussverkettung ist. Die Flussverkettung selbst ist proportional zum Magnetisierungsstrom und zum Quadrat der Windungszahl. Indem wir die Anzahl der Windungen erhöhen, reduzieren wir daher den Strom, der erforderlich ist, um den gleichen Fluss im Kern herzustellen und somit die gleiche EMK zu erzeugen.

Wenn Sie mit dem Konzept des Flusses und des Magnetisierungsstroms nicht vertraut sind, finden Sie es in jedem Standard-Lehrbuch über elektrische Maschinen.

Stellen Sie sich den Fall vor, wenn keine Last vorhanden ist. Das bedeutet, dass in der Sekundärseite kein Strom fließt, in diesem Fall könnte es genauso gut nicht da sein. Jetzt bleiben Ihnen einige Drahtwindungen um einen Eisenkern. Dann ist der Transformator nur eine Induktivität, die die Leitungen des Stromeingangs verbindet. Wenn dieser Induktor zu klein ist, fließt ein großer Strom.

Wenn Sie beispielsweise einen 120 VAC -> 12 VAC 60 Hz-Transformator haben und die Primärwicklung eine Induktivität von 0,01 Henry hat, wäre der Leerlaufstrom 120 V / (2 * pi * 60 Hz * 0.01 henry = 32 amp. Wenn der Induktor perfekt wäre, wäre der Strom im Prinzip phasenverschoben zur Spannung und die Nettoleistung wäre Null, aber Ihre Drähte haben immer einen gewissen Widerstand. Stattdessen möchten Sie die Induktivität auf einen höheren Wert erhöhen, z. B. 1 Henry, sodass Sie jetzt nur noch 300 mA Magnetisierungsstrom haben, was viel vernünftiger ist.

Die Art und Weise, wie Sie die Induktivität erhöhen, besteht darin, die Anzahl der Windungen zu erhöhen. Ihre Kerngröße und Ihr Material sowie die Eingangsspannung bestimmen also die Anzahl der Windungen, die Sie benötigen.

Habe gerade heute einen Transformator gemessen --- 3 Wicklungen, jede von 10 Windungen um eine Eisenbahnspitze. Um den Primärstrom zu begrenzen (und den alten Signalgenerator vor kurzgeschlossenen Lasten zu schützen), wurde ein 2.700-Ohm-Widerstand in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet.

Mit 10 Voltspp vom Generator bei 10.000 Hz hatte die Primärwicklung nur 3 Millivolt PP über dieser Wicklung. Warum? eine sehr niedrige Induktivität, da der Rückweg des Flusses hauptsächlich durch Luft erfolgte. Z (primär, bei 10 kHz) ist 1/3.000 des 2.700-Ohm-Schutzwiderstands oder 1 Ohm. Induktivität? 16 uH, einschließlich der Durchlässigkeit der Eisenbahnspitzen. Etwa 1 uH, als Luftkern modelliert.

Andere aktuelle Fragen betreffen die größten verfügbaren Induktoren. Der ABB-Leistungstransformator mit einer Nennleistung von 1 Milliarde Watt hatte fast 2.000 Henries. Warum?

Die Impedanz bei sehr hohen Spannungen würde also den Strom begrenzen. Die Impedanz von 2.000 Henries bei 377 Radiant/Sekunde (60 Hz) beträgt +j754.000. Bei 1 Megavolt beträgt der Magnetisierungsstrom 1,3 Ampere oder 1,3 Millionen Watt, nur um den Kern in einen Leerlaufzustand zu bringen, der bereit ist, als Transformator zu dienen.

Sie hängt von der Leistung des Transformators ab.

Leistung ist das Produkt aus Volt und Ampere.

Es gibt eine Grenze dafür, wie viele Volt pro Windung Sie um einen Transformatorkern herum erzeugen können. Je größer die Fläche des Kerns, desto größer die Volt pro Windung.

Es gibt eine Grenze für viele Verstärker, die Sie durch ein Kupfer schieben können, bevor es zu heiß wird. Je größer die in der Wicklung verwendete Drahtfläche ist, desto mehr Strom kann sie verarbeiten.

Zusammengenommen bedeutet dies, dass der Leistungsdurchsatz eines Transformators mehr oder weniger proportional zu seinem Volumen ist, sicherlich kann ein größerer Transformator gleicher Bauart mehr Leistung verschieben als ein kleiner.