Warum verbrennen Wechselstromtransformatoren nicht?

Andy hat Ihnen die klassische akademische Antwort auf Ihre Fragen gegeben. Alles, was er gesagt hat, ist korrekt, aber ich bezweifle, dass Sie als Anfänger das meiste davon verstehen werden. Lassen Sie mich also eine einfache Erklärung versuchen.

Die Primärwicklung eines Transformators ist eine um einen Eisenkern gewickelte Spule, die eine von mehreren Formen annehmen kann. Diese Primärwicklung hat einen sehr geringen Widerstand. (Messen Sie den Widerstand eines typischen Leistungstransformators, der in elektronischen Laborgeräten verwendet wird, mit einem DMM und Sie werden feststellen, dass er nur wenige Ohm beträgt.) Schließen Sie eine Gleichspannungsquelle daran an, das Ergebnis ist ziemlich vorhersehbar. Die Spannungsquelle liefert einen so großen Strom wie möglich an die Primärwicklung und der Transformator wird sehr heiß und geht wahrscheinlich in Rauch auf. Das oder Ihre Gleichstromversorgung wird eine Sicherung durchbrennen, sich selbst verbrennen oder in den Strombegrenzungsmodus wechseln, wenn sie so ausgestattet ist. Während dieser hohe Strom fließt, erzeugt übrigens die Primärwicklung tatsächlich ein unidirektionales Magnetfeld im Transformatorkern.

Messen Sie nun die Induktivität der Sekundärseite mit einem LRC-Meter. (Das ist ein DMM-ähnliches Gerät, das nur Induktivität, Widerstand und Kapazität misst - "LRC".) Bei einem 60-Hz-Leistungstransformator werden Sie wahrscheinlich ein paar Henries Induktivität an seinen Primärleitungen lesen.

Als nächstes wenden Sie diesen "L"-Wert auf die Formel an$X_L = 2 \pi f L$um die "induktive Reaktanz" zu berechnen ( "$X_L$" ) der Primärwicklung, wobei "f" die AC-Hauptfrequenz von 60 Hz für die USA ist. Die Antwort,$X_L$, ist in Einheiten von Ohm genau wie der Gleichstromwiderstand, aber in diesem Fall sind dies "Wechselstrom-Ohm", auch bekannt als "Impedanz".

Wenden Sie als Nächstes diesen Wert von an$X_L$nach dem "Ohmschen Gesetz", genau wie Sie es mit einem Widerstand tun würden, der an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist.$I = \frac{V}{X_L}$. Im üblichen USA-Fall haben wir 120 Volt RMS als V. Sie werden nun sehen, dass der Strom „I“ ein durchaus vernünftiger Wert ist. Wahrscheinlich ein paar hundert Milliampere (auch "RMS"). Deshalb können Sie an den unbelasteten Trafo 120 Volt anlegen und er läuft problemlos ein Jahrhundert lang. Dieser Primärstrom von wenigen hundert Milliampere, der als "Erregerstrom" bezeichnet wird, erzeugt Wärme in der Primärspule des Transformators, aber die mechanische Masse des Transformators kann diese Wärmemenge praktisch für immer verarbeiten. Nichtsdestotrotz würde, wie oben beschrieben, eine 5-VDC-Stromversorgung nur wenige Minuten dauern, um denselben Transformator zu verbrennen, wenn diese Gleichstromversorgung in der Lage wäre, einen ausreichend großen Strom zu liefern, um die DC-Spule mit niedrigem R erfolgreich anzutreiben. Das ist das "Wunder" der induktiven Reaktanz! Es'

Das ist für den unbelasteten Transformator. Schließen Sie nun eine geeignete ohmsche Last an die Sekundärseite an. Der oben beschriebene Erregungsstrom wird in etwa der gleichen Größenordnung weiterfließen. Aber jetzt fließt zusätzlicher Strom in der Primärwicklung. Dies wird als "reflektierter Strom" bezeichnet - der Strom, der durch die sekundäre Widerstandslast "verursacht" wird, die Strom von der Sekundärseite des Transformators zieht. Die Größe dieses reflektierten Stroms wird durch das Windungsverhältnis des Leistungstransformators bestimmt. Der reflektierte Strom lässt sich am einfachsten mit der „VA“-Methode (Volt-Ampere) bestimmen. Multiplizieren Sie die Sekundärspannung des Transformators mit dem Strom in Ampere, der von der an der Sekundärseite angebrachten ohmschen Last gezogen wird. (Dies ist im Wesentlichen "Watt" - Volt mal Ampere.) Die "VA-Methode" besagt, dass die VA der Sekundärseite gleich der inkrementellen VA der Primärseite sein muss. ("Inkremental" bedeutet in diesem Fall "zusätzlich zum Erregerstrom"). Wenn Sie also einen typischen Wechselstromtransformator mit einer Primärwicklung von 120 VRMS und einer Sekundärwicklung von 6 VRMS haben und einen 6-Ohm-Widerstand an der Sekundärwicklung anbringen, ist dies der Fall Eine 6-Ohm-Last zieht 1,0 A RMS von der Sekundärseite. Die sekundäre VA = 6 x 1 = 6. Diese sekundäre VA muss numerisch gleich der primären VA sein, wobei die Spannung 120 VRMS beträgt. 0 A RMS von der Sekundärseite. Die sekundäre VA = 6 x 1 = 6. Diese sekundäre VA muss numerisch gleich der primären VA sein, wobei die Spannung 120 VRMS beträgt. 0 A RMS von der Sekundärseite. Die sekundäre VA = 6 x 1 = 6. Diese sekundäre VA muss numerisch gleich der primären VA sein, wobei die Spannung 120 VRMS beträgt.
Primäre VA = Sekundäre VA = 6 = 120 x I.
I = 6/120 oder nur 50 Milliampere RMS.

Sie können dies größtenteils mit einem einfachen DMM überprüfen, um die Ströme in der Primär- und Sekundärseite unter Leerlauf- und Lastbedingungen zu messen. Probieren Sie es selbst aus, aber seien Sie bei der Primärseite vorsichtig, denn diese 120 VRMS sind nahezu tödlich. Sie können jedoch den "inkrementellen" Strom in der Primärseite NICHT direkt beobachten, der durch das Hinzufügen der Last zur Sekundärseite verursacht wird. Warum? Diese Antwort ist nicht so einfach! Der Anregungsstrom und der reflektierte Strom sind um 90 Grad phasenverschoben. Sie "summieren sich", aber sie addieren sich gemäß der Vektormathematik, und das ist eine ganz andere Diskussion.

Leider wird Andys schön ausgedrückte Antwort oben kaum gewürdigt, es sei denn, der Leser versteht die Vektormathematik, wie sie auf Wechselstromkreise angewendet wird. Ich hoffe, meine Antwort und Ihre Verifizierungsexperimente geben Ihnen ein numerisches Verständnis dafür, wie ein Leistungstransformator "funktioniert".

Ich gehe davon aus, dass der Strom ansteigt, wenn die Sekundärspule belastet wird, weil das Magnetfeld nicht in die Primärspule kollabiert, sondern von der Sekundärspule verwendet wird?

Es klingt richtig, ist es aber nicht. Im Allgemeinen ist die Magnetisierung des Kerns bei einem angemessen effizienten Transformator unter allen sekundären Lastbedingungen konstant. Das Problem ist, wie erkläre ich das, ohne Sie davon zu überzeugen, dass das Transformator-Ersatzschaltbild (unten) nicht falsch ist: -

Zu beachten: -

• Xm ist zu 99,9 % die Primärinduktivität des Transformators
• Xp (primäre Streuinduktivität) macht die letzten 0,1 % der primären Induktivität aus
• Xs und Rs sind die sekundäre Streuinduktivität und der Wicklungswiderstand bezogen auf die Primärwicklung durch Wirkung des Windungsverhältnisses im Quadrat.
• Das Ding, das wie ein Transformator aussieht (rechts), sollte nicht als solcher angesehen werden - es ist ein perfekter Stromwandler und erzeugt überhaupt keinen Magnetismus - es ist ein Gerät, um die Mathematik zu unterstützen, und ich wünsche den Tüftlern, die diese Bilder zeichnen würde es nur wie eine Black Box zeigen !!

Wie Sie möglicherweise sehen können, ist der Spannungsabfall von Rp und Xp selbst unter Bedingungen mit hoher Last klein im Vergleich zu einer Eingangswechselspannung, und dies bedeutet, dass die Spannung über Xm ziemlich konstant ist. Beachten Sie, dass Xm die einzige Komponente ist, die Magnetismus im Kern erzeugt. Nicht überzeugt, oder? Ich würde dir keinen Vorwurf machen.

Hier ist eine andere Betrachtungsweise

Die Reihe von 4 Bildern unten versucht zu zeigen, dass die Flussbeiträge von Lastströmen sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärseite gleich und entgegengesetzt sind und sich der Fluss daher aufhebt. Es zeigt einen einfachen 1:1-Transformator, gilt aber gleichermaßen für unterschiedliche Windungsverhältnisse, da der Fluss proportional zu Ampere-Windungen und nicht zu Ampere ist. Betrachten Sie jedes Bild der Reihe nach numerisch: -

1) Ja, die Impedanz eines offenen Transformators kommt vom schwankenden Magnetfeld (versucht, das Magnetfeld des Kerns zu ändern)

2) Ja, wenn eine Gleichspannung an die Primärseite angelegt wird, gibt es Probleme, der Transformator könnte durchbrennen. (Es sei denn, es ist aus irgendeinem Grund für diesen Strom ausgelegt). Ich habe die Spule an einem alten Motorrad aus ähnlichen Gründen ein paar Mal verloren: links eingeschaltet mit ausgeschaltetem Motor, die Spule verbrannt und der Kunststoff tropfte heraus.

3) Ohne Last auf der Sekundärseite muss der Strom durch die Primärspule durch die sehr große / sehr steife Induktivität („Streuinduktivität“) der Primärspule fließen.

4) Bei Belastung der Sekundärseite hebt der Sekundärstrom die Wirkung des Primärstroms auf den Kern auf.

Ein Transformator, der für Gleichstrom ausgelegt ist, wird als Sättigungsdrossel bezeichnet und als Schalter verwendet. dh der Gleichstrom sättigt den Magnetkern, sodass die Wechselstromversorgung den Fluss im Kern nicht ändern kann, ergo ist die sekundäre Wechselspannung Null. Wenn der Gleichstrom abgeschaltet wird, kann sich der Fluss im Kern nun ändern und es findet eine normale Transformatoraktion statt, die zu einer Wechselspannung an der Sekundärseite führt.

Ein ähnliches Gerät, das jedoch auf Wechselstrom angewiesen ist, der den Kern sättigt, wird als ferroresonanter Transformator bezeichnet. Diese wurden verwendet, um die Sekundärspannung eines Transformators kostengünstig zu stabilisieren. Dieses Gerät hat zwei Sekundärwicklungen, von denen eine durch einen hochohmigen Kondensator kurzgeschlossen ist und die andere die Ausgangswicklung ist.