Definice transformátoru
Transformátor je definován jako elektrické zařízení, které přenáší elektrickou energii mezi dvěma nebo více obvody prostřednictvím elektromagnetické indukce.
Teorie transformátoru bez zatížení
Bez odporu cívky a bez únikové reaktance
Uvažujme transformátor s pouze jádrovými ztrátami, což znamená, že nemá měděné ztráty nebo únikovou reaktanci. Když se na primární stranu připojí střídavý zdroj proudu, dodává proud k magnetizaci jádra transformátoru.
Tento proud však není skutečným magnetizačním proudem; je o něco větší než skutečný magnetizační proud. Celkový proud dodávaný ze zdroje má dvě složky, jedna je magnetizační proud, který slouží pouze k magnetizaci jádra, a druhá složka proudu ze zdroje je spotřebována na kompenzaci jádrových ztrát v transformátoru.
Díky složce jádrových ztrát nedojde k tomu, že proudu ze zdroje bez zatížení bude následovat napětí zdroje přesně o 90°, ale o úhel θ, který je menší než 90°. Celkový proud Io má složku Iw ve fázi s napětím V1, která reprezentuje složku jádrových ztrát.
Tato složka je brána ve fázi s napětím zdroje, protože je spojena s aktivními nebo pracovními ztrátami v transformátoru. Další složka proudu ze zdroje je označena jako Iμ.
Tato složka produkuje střídavý magnetický tok v jádru, takže je bezzubcová; to znamená, že je reaktivní částí proudu ze zdroje transformátoru. Proto bude Iμ v kvadratu s V1 a ve fázi se střídavým tokem Φ. Tedy celkový primární proud v transformátoru v podmínkách bez zatížení lze vyjádřit jako:
Nyní jste viděli, jak je jednoduché vysvětlit teorii transformátoru bez zatížení.
Teorie transformátoru s zatížením
Bez odporu cívky a únikové reaktance
Nyní prozkoumáme chování uvedeného transformátoru s zatížením, což znamená, že je zatížení připojeno k sekundárním terminálům. Uvažujme transformátor s jádrovými ztrátami, ale bez měděných ztrát a únikové reaktance. Jakmile je zatížení připojeno k sekundární cívkové cívce, zatížení proud začne protékat zatížením i sekundární cívkovou cívkou.
Tento zatížení proud zcela závisí na charakteristikách zatížení a také na sekundárním napětí transformátoru. Tento proud se nazývá sekundární proud nebo zatížení proud, zde je označen jako I2. Jelikož I2 protéká sekundární cívkou, vznikne v sekundární cívkové cívkě samostatný MMF. Zde je N2I2, kde N2 je počet závitů sekundární cívkové cívky transformátoru.
Tento MMF nebo magnetomotorická síla v sekundární cívkové cívce vytváří tok φ2. Tento φ2 bude bránit hlavnímu magnetizačnímu toku a dočasně oslabí hlavní tok a pokusí se snížit primární samoindukční emf E1. Pokud E1 klesne pod primární zdrojové napětí V1, bude proudit zdrojem do primární cívkové cívky extra proud.
Tento extra primární proud I2′ vytváří v jádru extra tok φ′, který neutralizuje sekundární protitok φ2. Proto hlavní magnetizační tok jádra, Φ, zůstává nezměněný bez ohledu na zatížení. Tedy celkový proud, který tento transformátor odebírá ze zdroje, lze rozdělit na dvě složky.
První je využit k magnetizaci jádra a kompenzaci jádrových ztrát, tj. Io. Je to složka proudu bez zatížení. Druhá složka slouží k kompenzaci protitoku sekundární cívkové cívky.
Je známá jako složka zatížení primárního proudu. Tedy celkový primární proud I1 elektrického transformátoru bez odporu cívky a únikové reaktance lze vyjádřit následovně
Kde θ2 je úhel mezi sekundárním napětím a sekundárním proudem transformátoru. Nyní se budeme dále zabývat praktičtějším aspektem transformátoru.
Teorie transformátoru s zatížením, s odpornou cívkou, ale bez únikové reaktance
Nyní uvažujme odpor cívkové cívky transformátoru, ale bez únikové reaktance. Dosud jsme diskutovali o transformátoru, který má ideální cívkové cívky, tj. cívkové cívky bez odporu a únikové reaktance, ale nyní uvažujeme transformátor, který má vnitřní odpor v cívkové cívce, ale bez únikové reaktance. Jelikož jsou cívkové cívky odporné, dojde k pádovému napětí v cívkových cívkách.
Dříve jsme dokázali, že celkový primární proud ze zdroje s zatížením je I1. Pádové napětí v primární cívkové cívce s odporom R1 je R1I1. Samozřejmě, indukovaná emf napříč primární cívkovou cívkou E1, není přesně rovna zdrojovému napětí V1. E1 je menší než V1 o pádové napětí I1R1.
Opět v případě sekundární cívkové cívky, napětí indukované napříč sekundární cívkovou cívkou, E2, neobjeví celé napříč zatížením, protože také klesne o množství I2R2, kde R2 je odpor sekundární cívkové cívky a I2 je sekundární proud nebo zatížení proud.
Podobně, napěťová rovnice sekundární strany transformátoru bude:
Teorie transformátoru s zatížením, s odporem a také únikovou reaktancí
Nyní uvažujme situaci, kdy je přítomna úniková reaktance transformátoru a také odpor cívkové cívky transformátoru.
Nechť únikové reaktance primární a sekundární cívkové cívky transformátoru jsou X1 a X2. Tedy celkový impedance primární a sekundární cívkové cívky transformátoru s odpory R1 a R2 lze vyjádřit jako,
Už jsme stanovili napěťovou rovnici transformátoru s zatížením, s pouze odpory v cívkových cívkách, kde pádové napětí v cívkových cívkách nastává pouze v důsledku odporného pádového napětí.
Ale když vezmeme v úvahu únikovou reaktanci cívkových cívek transformátoru, pádové napětí v cívkových cívkách nastane nejen v důsledku odporu, ale také v důsledku impedance cívkových cívek transformátoru. Proto lze skutečnou napěťovou rovnici transformátoru snadno určit nahrazením odporů R1 & R2 v již stanovených napěťových rovnicích s Z1 a Z2.
Tedy napěťové rovnice jsou,
Odporné pádové napětí jsou ve směru vektoru proudu. Ale reaktivní pádové napětí bude kolmé k vektoru proudu, jak je znázorněno v níže uvedeném vektorovém diagramu transformátoru.
