Die Ausgangsspannung des Transformators hängt vom Verhältnis der Wicklungszahl der Primär- und Sekundärspulen ab. Gibt es jedoch einen Einfluss auf die Transformatorleistung durch die tatsächliche Wicklungszahl?
Angenommen, ich möchte ein Verhältnis von 1: 2 haben, ich könnte Wicklungen von 10:20 oder 100: 200 aufwickeln.
Im Allgemeinen mehr Wicklungen - größer der Widerstand, die Induktivität und die Kosten. Gibt es einen Grund, mehr zu wickeln, oder wird die Wicklungszahl auf ein absolutes Minimum beschränkt? Wie wird die minimale Wicklungszahl bestimmt?
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Mäuse
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Es gibt zwei Gründe, dies zu beantworten, und Brian hat gute Arbeit geleistet, um das Grundproblem mit zu wenigen Umdrehungen auf der Primärseite zu erklären, aber ein paar Feinheiten übersehen. Der andere Grund ist, auf den Fehler in der aktuell akzeptierten Antwort hinzuweisen.
Ohne Berücksichtigung der Sekundärwicklung (und etwaiger daran angeschlossener Lasten) wird der Transformator nur zu einer Induktivität. Wenn dieser Induktor über eine Wechselstromversorgung gelegt wird, soll die Induktivität hoch genug sein, um zu verhindern, dass der Versorgung ein großer Blindstrom entnommen wird. Das Netzversorgungssystem würde abstürzen und brennen !!
Aber es gibt noch einen anderen Grund, der sich auf die Kernsättigung bezieht. Ich spreche hier immer noch vom Transformator als Induktor; Amperewindungen und Kernabmessungen bestimmen das H-Feld innerhalb des Kerns und die Ampere werden durch die Induktivität (und die Versorgungsspannung) bestimmt. Die Induktivität wird wiederum durch andere Kernparameter und die Anzahl der Windungen bestimmt.
Vergleichen Sie also 10 Windungen mit 100 Windungen - die 100-Windungen-Primärwicklung hat die 100-fache Induktivität der 10-Windungs-Primärwicklung und dies bedeutet, dass der Strom (für eine feste Wechselstromversorgung) 100-mal kleiner ist als für die 10-Windungs-Primärwicklung.
Die Verstärker haben sich also um 100 verringert, aber die Windungen haben sich um 10 erhöht. Der Nettoeffekt besteht darin, dass sich die Amperewindungen um 10 verringert haben. Dies bedeutet, dass sich das H-Feld um zehn verringert hat und der Kern mit weit geringerer Wahrscheinlichkeit gesättigt ist.
Wenn Sie die Sekundärlast anschließen, steigt der Strom in der Primärlast vom Grundmagnetisierungsstrom auf einen höheren Strom. Diese Stromänderung wird als primär bezogener Strom bezeichnet, der von der sekundären Last aufgenommen wird.
Jetzt sind möglicherweise zwei weitere Sätze von Amperewindungen zu berücksichtigen - die sekundären Amperewindungen und die zusätzlichen primären Amperewindungen aufgrund der sekundären Last. Ich sage "könnte", weil wir sie in der Tat überhaupt nicht berücksichtigen müssen - sie heben sich im Kern perfekt auf und der Kern ist aufgrund des Laststroms nicht gesättigter als zu dem Zeitpunkt, als die Sekundärlast nicht da war.
Aber sehr viele Ingenieure scheinen das nicht zu schätzen - es klingt nicht intuitiv. Wie kann ich einen Ungläubigen überzeugen? Betrachten Sie die 4 folgenden Szenarien: -
In Szenario 1 und 2 geht es darum, eine einzelne Primärwicklung in zwei parallele Wicklungen umzuwandeln. S1 hat einen Magnetisierungsstrom von Im und daher nimmt jede Wicklung in S2 Im / 2 auf. Mit anderen Worten, eng gekoppelte parallele Drähte verhalten sich wie ein einzelner Draht. Interessanterweise muss jeder Draht S2 jetzt die doppelte Induktivität haben. Wenn Sie diese beiden Drähte so anordnen, dass sie in Reihe geschaltet sind, haben Sie eine Primärinduktivität, die viermal so hoch ist wie die von S1 - dies beweist, dass sich die Anzahl der Windungen verdoppelt Induktivität. Das Zehnfache der Windungszahl bedeutet das Hundertfache der Induktivität.
S3 fordert Sie auf zu überlegen, was passiert, wenn eine der parallelen Wicklungen von S2 getrennt wird. Wie wäre das Phasenverhältnis der Spannung an dieser getrennten Wicklung im Vergleich zur Primärwicklungsspannung? Wenn Sie es als gegenphasig zur Primärspannung betrachten, hätte das, was in Szenario 2 passiert wäre, ein Feuer erzeugt !!
Somit ist die induzierte Spannung in der getrennten Wicklung (S3) eindeutig dieselbe Phase (und Größe) wie die Primärspannung.
S4 sollte frei sein - schließen Sie eine Last an die isolierte Wicklung an und der Strom, der in der Primärwicklung fließt, ist entgegengesetzt zu dem Strom, der in der "neuen" Sekundärwicklung fließt.
Kurz gesagt bedeutet dies, dass die Amperewindungen in der Primärwicklung (aufgrund des Sekundärlaststroms) durch die Amperewindungen in der Sekundärwicklung vollständig aufgehoben werden.
Dies bedeutet auch, dass ein Transformator, der für eine höhere Lastleistung erforderlich ist, aufgrund der Möglichkeit einer Kernsättigung nicht größer gemacht wird. Es wird größer gemacht, damit dickere Drähte (geringerer Kupferverlust) verwendet werden können und dickere Drähte mehr Platz benötigen, daher ein größerer Kern.
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Bei jedem Transformator möchten Sie den Großteil der zugeführten Energie in die Last übertragen, um so wenig Strom wie möglich im Transformator zu verschwenden.
Sie müssen jedoch etwas Energie aufwenden, um den Kern in jedem halben Zyklus zu magnetisieren, und die Anzahl der Windungen beeinflusst die dafür erforderliche Leistung. Sie können diese verschwendete Leistung als eine über die Primärseite angeschlossene Induktivität modellieren. Sie möchten daher die Impedanz dieser Induktivität maximieren, um die verschwendete Leistung zu minimieren.
Und die Induktivität ist proportional zum Quadrat der Anzahl der Windungen, so dass die Primärwicklung mit 100 Windungen das 100-fache der Induktivität der Primärwicklung mit 10 Windungen hat.
Um die Impedanz zu erhöhen, können Sie drei Dinge tun:
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