Gegeninduktivität und grundlegender Betrieb
Verhalten von Induktoren, die um einen leitfähigen Kern gewickelt sind
Angenommen, wir würden eine Spule aus isoliertem Draht um eine Schleife aus ferromagnetischem Material wickeln und diese Spule mit einer Wechselspannungsquelle erregen:(Abbildung unten (a))
Die isolierte Wicklung der ferromagnetischen Schleife hat eine induktive Reaktanz, die den Wechselstrom begrenzt
Als Induktivität würden wir erwarten, dass diese Spule mit Eisenkern der angelegten Spannung ihre induktive Reaktanz entgegensetzt und den Strom durch die Spule begrenzt, wie durch die Gleichungen vorhergesagt:
XL =2πfL und I=E/X (oder I=E/Z)
Für dieses Beispiel müssen wir uns jedoch die Wechselwirkungen von Spannung, Strom und Magnetfluss im Gerät genauer ansehen.
Das Spannungsgesetz von Kirchhoff beschreibt, dass die algebraische Summe aller Spannungen in einer Schleife gleich Null sein muss. In diesem Beispiel könnten wir dieses grundlegende Gesetz der Elektrizität anwenden, um die jeweiligen Spannungen der Quelle und der Induktorspule zu beschreiben.
Hier, wie in jedem Ein-Quellen-Ein-Last-Schaltkreis, muss die an der Last abfallende Spannung gleich der von der Quelle gelieferten Spannung sein, unter der Annahme, dass ein Spannungsabfall von Null zusammen mit dem Widerstand aller Anschlussdrähte vorliegt.
Mit anderen Worten, die Last (Induktorspule) muss eine entgegengesetzte Spannung erzeugen, die der Größe der Quelle entspricht, damit sie sich gegen die Quellenspannung ausgleichen und eine algebraische Schleifenspannungssumme von Null erzeugen kann.
Woher kommt diese Gegenspannung? Wenn die Last ein Widerstand wäre (Abbildung oben (b)), entsteht der Spannungsabfall durch den Verlust elektrischer Energie, die „Reibung“ der Ladungsträger, die durch den Widerstand fließen.
Bei einem perfekten Induktor (kein Widerstand im Spulendraht) kommt die Gegenspannung von einem anderen Mechanismus:der Reaktion zu einem sich ändernden magnetischen Fluss im Eisenkern. Wenn sich der Wechselstrom ändert, ändert sich der Fluss Φ. Eine Änderung des Flusses induziert eine Gegen-EMK.
Beziehung zwischen Spannung, Strom und magnetischem Fluss
Michael Faraday entdeckte die mathematische Beziehung zwischen magnetischem Fluss (Φ) und induzierter Spannung mit dieser Gleichung:
Die augenblickliche Spannung (Spannung, die zu einem beliebigen Zeitpunkt abfällt) an einer Drahtspule ist gleich der Anzahl der Windungen dieser Spule um den Kern (N) multipliziert mit der augenblicklichen Änderungsrate des magnetischen Flusses (dΦ/dt) mit der Spule.
Graphisch dargestellt (Abbildung unten) zeigt sich dies als eine Reihe von Sinuswellen (unter der Annahme einer sinusförmigen Spannungsquelle), wobei die Flusswelle der Spannungswelle um 90° nacheilt:
Magnetischer Fluss wie Strom eilt der angelegten Spannung um 90° nach
Aus diesem Grund eilt Wechselstrom durch eine Induktivität der Wellenform der angelegten Spannung um 90° nach:weil dies erforderlich ist, um einen sich ändernden magnetischen Fluss zu erzeugen, dessen Änderungsrate eine entgegengesetzte Spannung in Phase mit der angelegten Spannung erzeugt.
Aufgrund seiner Funktion, eine Magnetisierungskraft (mmf) für den Kern bereitzustellen, wird dieser Strom manchmal als Magnetisierungsstrom bezeichnet .
Es sollte erwähnt werden, dass der Strom durch eine Eisenkerninduktivität aufgrund der nichtlinearen B/H-Magnetisierungskurve von Eisen nicht perfekt sinusförmig (sinusförmig) ist.
Wenn der Induktor billig gebaut wird und so wenig Eisen wie möglich verwendet, kann die magnetische Flussdichte sogar ein hohes Niveau erreichen (nahe der Sättigung), was zu einer Magnetisierungsstromwellenform führt, die ungefähr wie in der folgenden Abbildung aussieht:
Wenn sich die Flussdichte der Sättigung nähert, wird die Wellenform des Magnetisierungsstroms verzerrt
Wenn sich ein ferromagnetisches Material der Sättigung des magnetischen Flusses nähert, sind unverhältnismäßig höhere Werte der magnetischen Feldstärke (mmf) erforderlich, um eine gleichmäßige Zunahme des magnetischen Feldflusses (Φ) zu erzielen.
Da mmf proportional zum Strom durch die Magnetisierungsspule ist (mmf =NI, wobei "N" die Anzahl der Drahtwindungen in der Spule und "I" der Strom durch sie ist), sind die großen Erhöhungen von mmf erforderlich, um die erforderliche Menge zu liefern Erhöhungen des Flusses führen zu starken Erhöhungen des Spulenstroms.
Daher steigt der Spulenstrom an den Spitzen dramatisch an, um eine nicht verzerrte Flusswellenform aufrechtzuerhalten, was die glockenförmigen Halbzyklen der Stromwellenform in der obigen Darstellung berücksichtigt.
Aufregender Strom und seine Auswirkungen
Die Situation wird durch Energieverluste innerhalb des Eisenkerns noch komplizierter. Die Auswirkungen von Hysterese und Wirbelströmen führen zu einer weiteren Verzerrung und Verkomplizierung der Stromwellenform, wodurch sie noch weniger sinusförmig wird und ihre Phase so verändert, dass sie der angelegten Spannungswellenform um etwas weniger als 90° nacheilt.
Dieser Spulenstrom, der sich aus der Summe aller magnetischen Effekte im Kern (dΦ/dt-Magnetisierung plus Hystereseverluste, Wirbelstromverluste etc.) ergibt, wird als Erregerstrom bezeichnet .
Die Verzerrung des Erregerstroms einer Eisenkerninduktivität kann minimiert werden, wenn sie für sehr niedrige Flussdichten ausgelegt und betrieben wird. Im Allgemeinen erfordert dies einen Kern mit einer großen Querschnittsfläche, was dazu führt, dass der Induktor sperrig und teuer wird.
Der Einfachheit halber nehmen wir jedoch an, dass unser Beispielkern weit von der Sättigung entfernt und frei von allen Verlusten ist, was zu einem perfekt sinusförmigen Erregerstrom führt.
Wie wir bereits im Kapitel über Induktivitäten gesehen haben, führt eine Stromwellenform, die um 90° zur Spannungswellenform phasenverschoben ist, zu einer Bedingung, in der Leistung abwechselnd von der Induktivität absorbiert und an den Stromkreis zurückgegeben wird.
Wenn der Induktor perfekt ist (kein Drahtwiderstand, keine magnetischen Kernverluste usw.), wird er keine Leistung abgeben.
Betrachten wir nun dieselbe Induktorvorrichtung, diesmal jedoch mit einer zweiten Spule (Abbildung unten), die um denselben Eisenkern gewickelt ist. Die erste Spule wird als primär bezeichnet Spule, während die zweite als sekundäre bezeichnet wird :
Ferromagnetischer Kern mit Primärspule (wechselstrombetrieben) und Sekundärspule.
Gegenseitige Einführung
Wenn diese Sekundärspule die gleiche Änderung des magnetischen Flusses wie die Primärspule erfährt (was sie unter der Annahme einer perfekten Eindämmung des magnetischen Flusses durch den gemeinsamen Kern tun sollte) und die gleiche Anzahl von Windungen um den Kern hat, eine Spannung gleicher Größe und Phase zu die angelegte Spannung wird entlang ihrer Länge induziert.
In der folgenden Grafik (Abbildung unten) ist die Wellenform der induzierten Spannung etwas kleiner gezeichnet als die Wellenform der Quellenspannung, nur um sie voneinander zu unterscheiden:
Offene Sekundärwicklung sieht denselben Fluss Φ wie die Primärwicklung. Daher induzierte Sekundärspannung es hat die gleiche Größe und Phase wie die Primärspannung ep .
Dieser Effekt wird als Gegeninduktivität bezeichnet :die Induktion einer Spannung in einer Spule als Reaktion auf eine Stromänderung in der anderen Spule. Sie wird wie die normale (Selbst-)Induktivität in der Einheit Henry gemessen, wird aber im Gegensatz zur normalen Induktivität durch den Großbuchstaben „M“ und nicht durch den Buchstaben „L“ symbolisiert:
In der Sekundärspule fließt kein Strom, da sie im Leerlauf ist. Wenn wir jedoch einen Lastwiderstand daran anschließen, fließt ein Wechselstrom durch die Spule, in Phase mit der induzierten Spannung (da die Spannung an einem Widerstand und der Strom durch ihn immer sind phasengleich). (Abbildung unten)
Widerstandslast auf der Sekundärseite hat Spannung und Strom in Phase.
Zunächst könnte man erwarten, dass dieser Sekundärspulenstrom einen zusätzlichen magnetischen Fluss im Kern verursacht. Tatsächlich tut es das nicht. Wenn mehr Fluss im Kern induziert würde, würde dies dazu führen, dass mehr Spannung in der Primärspule induziert wird (denken Sie daran, dass e =dΦ/dt).
Dies kann nicht passieren, da die induzierte Spannung der Primärspule gemäß dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz in gleicher Höhe und Phase bleiben muss, um sich mit der angelegten Spannung auszugleichen. Folglich kann der Magnetfluss im Kern nicht durch den Sekundärspulenstrom beeinflusst werden.
Was jedoch macht Änderung ist der Betrag von mmf im Magnetkreis.
Magnetomotorische Kraft
Magnetomotorische Kraft wird jedes Mal erzeugt, wenn Strom durch einen Draht fließt. Normalerweise wird diese mmf von einem magnetischen Fluss begleitet, gemäß der Gleichung mmf=ΦR „magnetisches Ohmsches Gesetz“.
In diesem Fall ist jedoch kein zusätzlicher Fluss zulässig, so dass der mmf der Sekundärspule nur dann existieren kann, wenn ein entgegenwirkender mmf von der Primärspule gleicher Größe und entgegengesetzter Phase erzeugt wird.
Tatsächlich passiert dies, ein Wechselstrom, der sich in der Primärspule bildet – 180 ° phasenverschoben zum Strom der Sekundärspule – um diesen entgegenwirkenden mmf zu erzeugen und zusätzlichen Kernfluss zu verhindern.
Polaritätsmarkierungen und Stromrichtungspfeile wurden der Abbildung hinzugefügt, um die Phasenbeziehungen zu verdeutlichen:(Abbildung unten)
Der Fluss bleibt bei Belastung konstant. Allerdings wird von der geladenen Sekundärseite ein entgegenwirkendes mmf erzeugt.
Wenn Sie diesen Vorgang etwas verwirrend finden, machen Sie sich keine Sorgen. Die Dynamik von Transformatoren ist ein komplexes Thema. Wichtig zu verstehen ist Folgendes:Wenn eine Wechselspannung an die Primärspule angelegt wird, erzeugt dies einen magnetischen Fluss im Kern, der eine Wechselspannung in der Sekundärspule in Phase mit der Quellenspannung induziert.
Jeder Strom, der durch die Sekundärspule gezogen wird, um eine Last zu versorgen, induziert einen entsprechenden Strom in der Primärspule, der Strom aus der Quelle zieht.
Gegeninduktivität und Transformatoren
Beachten Sie, wie sich die Primärspule in Bezug auf die Wechselspannungsquelle wie eine Last verhält und wie sich die Sekundärspule in Bezug auf den Widerstand wie eine Quelle verhält.
Anstatt nur abwechselnd Energie in den Primärspulenkreis aufzunehmen und zurückzugeben, wird Energie jetzt gekoppelt zur Sekundärspule, wo es einer dissipativen (energieverbrauchenden) Last zugeführt wird. Soweit die Quelle „weiß“, versorgt sie den Widerstand direkt mit Strom.
Natürlich gibt es auch einen zusätzlichen Primärspulenstrom, der der angelegten Spannung um 90° nacheilt, gerade genug, um den Kern zu magnetisieren und die notwendige Spannung zum Ausgleichen gegen die Quelle zu erzeugen (der Erregerstrom ).
Wir nennen diese Art von Gerät einen Transformator , weil es elektrische Energie in magnetische Energie umwandelt und dann wieder in elektrische Energie zurück. Da sein Betrieb von der elektromagnetischen Induktion zwischen zwei stationären Spulen und einem magnetischen Fluss mit wechselnder Größe und „Polarität“ abhängt, sind Transformatoren notwendigerweise Wechselstromgeräte.
Sein schematisches Symbol sieht aus wie zwei Induktoren (Spulen), die denselben Magnetkern teilen:(Abbildung unten)
Das schematische Symbol für einen Transformator besteht aus zwei Induktorsymbolen, die durch Linien getrennt sind, die einen ferromagnetischen Kern anzeigen.
Die beiden Induktorspulen sind im obigen Symbol leicht zu unterscheiden. Das Paar von vertikalen Linien stellt einen Eisenkern dar, der beiden Induktoren gemeinsam ist. Während viele Transformatoren ferromagnetische Kernmaterialien haben, gibt es einige, die dies nicht tun, da ihre einzelnen Induktoren durch die Luft magnetisch miteinander verbunden sind.
Das folgende Foto zeigt einen Leistungstransformator, wie er in der Gasentladungsbeleuchtung verwendet wird. Hier sind deutlich die beiden Induktorspulen zu erkennen, die um einen Eisenkern gewickelt sind. Während die meisten Transformatorkonstruktionen die Spulen und den Kern zum Schutz in einen Metallrahmen einschließen, ist dieser spezielle Transformator zur Ansicht geöffnet und erfüllt somit seinen illustrativen Zweck gut (Abbildung unten):
Beispiel für einen Gasentladungs-Beleuchtungstransformator.
Primär- und Sekundärwicklung
Die beiden Drahtspulen sind hier mit kupferfarbener Lackisolierung zu sehen. Die obere Spule ist größer als die untere Spule und hat eine größere Anzahl von „Windungen“ um den Kern. In Transformatoren werden die Induktorspulen oft als Wicklungen bezeichnet , in Bezug auf den Herstellungsprozess, bei dem der Draht gewickelt um das Kernmaterial.
Wie in unserem ersten Beispiel modelliert, wird die gespeiste Induktivität eines Transformators als primäre bezeichnet Wicklung, während die stromlose Spule als Sekundärspule bezeichnet wird Wicklung.
Das nächste Foto (Abbildung unten) zeigt einen halbierten Transformator, der den Querschnitt des Eisenkerns sowie beider Wicklungen freilegt. Wie der zuvor gezeigte Transformator verwendet auch dieses Gerät Primär- und Sekundärwicklungen mit unterschiedlichen Windungszahlen.
Auch der Drahtquerschnitt unterscheidet sich zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Der Grund für diese unterschiedliche Drahtstärke wird im nächsten Abschnitt dieses Kapitels erläutert.
Außerdem ist auf diesem Foto zu sehen, dass der Eisenkern aus vielen dünnen Blechen (Lamellen) besteht und nicht aus einem massiven Stück. Der Grund dafür wird auch in einem späteren Abschnitt dieses Kapitels erklärt.
Der Querschnitt des Transformators zeigt den Kern und die Wicklungen.
Einfache Transformer-Aktion mit SPICE
Mit SPICE lässt sich die einfache Transformatorwirkung leicht demonstrieren, indem die Primär- und Sekundärwicklungen des simulierten Transformators als Paar „gegenseitiger“ Induktivitäten eingerichtet werden (Abbildung unten).
Der Koeffizient der magnetischen Feldkopplung ist am Ende der „k“-Zeile in der SPICE-Schaltungsbeschreibung angegeben, wobei dieses Beispiel fast auf Perfektion (1.000) gesetzt ist. Dieser Koeffizient beschreibt, wie eng die beiden Induktivitäten magnetisch „verknüpft“ sind. Je besser diese beiden Induktoren magnetisch gekoppelt sind, desto effizienter sollte die Energieübertragung zwischen ihnen sein.
Spice-Schaltung für gekoppelte Induktivitäten.
Hinweis:der RSchein Widerstände sind erforderlich, um bestimmte Eigenarten von SPICE zu erfüllen. Der erste unterbricht die ansonsten kontinuierliche Schleife zwischen der Spannungsquelle und L1 was von SPICE nicht erlaubt wäre. Der zweite stellt einen Weg zur Erde (Knoten 0) vom Sekundärkreis her, da SPICE nicht mit ungeerdeten Kreisen funktionieren kann.
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 9.975E-03 Primärwicklung Frequenz v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Sekundärwicklung
Beachten Sie, dass bei gleichen Induktivitäten für beide Wicklungen (je 100 Henry) die Wechselspannungen und -ströme für beide nahezu gleich sind. Der Unterschied zwischen Primär- und Sekundärstrom ist der Magnetisierungsstrom, von dem zuvor gesprochen wurde:der um 90° nacheilende Strom, der erforderlich ist, um den Kern zu magnetisieren.
Wie hier zu sehen ist, ist er im Vergleich zum durch die Last induzierten Primärstrom normalerweise sehr klein, sodass Primär- und Sekundärstrom nahezu gleich sind. Was Sie hier sehen, ist ganz typisch für die Effizienz von Transformatoren.
Ein Wirkungsgrad von weniger als 95 % wird für moderne Leistungstransformatoren als schlecht angesehen, und diese Leistungsübertragung erfolgt ohne bewegliche Teile oder andere verschleißbehaftete Komponenten.
Wenn wir den Lastwiderstand verringern, um bei gleicher Spannung mehr Strom zu ziehen, sehen wir, dass der Strom durch die Primärwicklung als Reaktion darauf ansteigt.
Auch wenn die Wechselstromquelle nicht direkt mit dem Lastwiderstand verbunden ist (sondern elektromagnetisch „gekoppelt“), ist die Strommenge, die von der Quelle gezogen wird, fast gleich der Strommenge, die entnommen werden würde, wenn die Last wurde direkt mit der Quelle verbunden.
Schauen Sie sich die nächsten beiden SPICE-Simulationen genau an und zeigen Sie, was mit unterschiedlichen Werten von Lastwiderständen passiert:
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 4.679E-02 Frequenz v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02
Beachten Sie, wie der Primärstrom dem Sekundärstrom eng folgt. In unserer ersten Simulation betrugen beide Ströme ungefähr 10 mA, aber jetzt sind sie beide ungefähr 47 mA. In dieser zweiten Simulation sind die beiden Ströme näher an der Gleichheit, da der Magnetisierungsstrom derselbe bleibt wie zuvor, während der Laststrom angestiegen ist.
Beachten Sie auch, wie die Sekundärspannung mit der schwereren (höheren Strom) Last etwas abgenommen hat. Versuchen wir eine andere Simulation mit einem noch niedrigeren Lastwiderstandswert (15 Ω):
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 1.301E-01 Frequenz v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 1.950E+00 1.300E-01
Unser Laststrom beträgt jetzt 0,13 Ampere oder 130 mA, was wesentlich höher ist als beim letzten Mal. Der Primärstrom ist fast gleich, aber beachten Sie, dass die Sekundärspannung deutlich unter die Primärspannung gefallen ist (1,95 Volt gegenüber 10 Volt an der Primärseite).
Der Grund dafür ist eine Unvollkommenheit in unserem Transformatordesign:weil die Primär- und Sekundärinduktivitäten nicht perfekt sind verknüpft (ein k-Faktor von 0,999 statt 1,000) gibt es „Streu“ oder „Leckage “ Induktivität. Mit anderen Worten, ein Teil des Magnetfelds ist nicht mit der Sekundärspule verbunden und kann daher keine Energie an diese koppeln:(Abbildung unten)
Die Streuinduktivität ist darauf zurückzuführen, dass der magnetische Fluss nicht beide Wicklungen schneidet.
Folglich speichert dieser „Leckfluss“ lediglich Energie und gibt sie über Selbstinduktivität an den Quellenkreis zurück, wobei er effektiv als Reihenimpedanz sowohl im Primär- als auch im Sekundärkreis wirkt. Die Spannung fällt an dieser Reihenimpedanz ab, was zu einer verringerten Lastspannung führt:Die Spannung an der Last „sackt“ ab, wenn der Laststrom ansteigt. (Abbildung unten)
Ersatzschaltung modelliert Streuinduktivität als Reiheninduktivität unabhängig vom „idealen Transformator“.
Wenn wir das Transformatordesign ändern, um eine bessere magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung zu erreichen, werden die Werte für die Spannung zwischen Primär- und Sekundärwicklung wieder viel näher an der Gleichheit sein:
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 6.658E-01 Frequenz v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.987E+00 6.658E-01
Hier sehen wir, dass unsere Sekundärspannung wieder der Primärspannung entspricht und der Sekundärstrom ebenfalls dem Primärstrom entspricht. Leider ist es sehr schwierig, einen echten Transformator mit dieser vollständigen Kopplung zu bauen.
Eine Kompromisslösung besteht darin, sowohl Primär- als auch Sekundärspulen mit geringerer Induktivität zu konstruieren, wobei die Strategie darin besteht, dass eine geringere Induktivität insgesamt zu weniger „Leck“-Induktivität führt, die bei jedem gegebenen Grad an magnetischer Kopplungsineffizienz zu Problemen führt. Dies führt zu einer Lastspannung, die bei gleicher (Hochstrom-Schwer-)Last und gleichem Kopplungsfaktor näher am Ideal ist:
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 6.664E-01 Frequenz v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.977E+00 6.652E-01
Allein durch die Verwendung von Primär- und Sekundärspulen mit geringerer Induktivität wurde die Lastspannung für diese schwere Last (hoher Strom) wieder auf nahezu ideale Werte (9,977 Volt) gebracht. An dieser Stelle könnte man sich fragen:„Wenn weniger Induktivität alles ist, was benötigt wird, um eine nahezu ideale Leistung unter hoher Last zu erreichen, warum sich dann überhaupt Gedanken über die Kopplungseffizienz machen?
Wenn es unmöglich ist, einen Transformator mit perfekter Kopplung zu bauen, aber einfach Spulen mit geringer Induktivität zu konstruieren, warum bauen Sie dann nicht einfach alle Transformatoren mit Spulen mit niedriger Induktivität und haben auch bei schlechter magnetischer Kopplung einen hervorragenden Wirkungsgrad?“
Die Antwort auf diese Frage findet sich in einer anderen Simulation:derselbe niederinduktive Transformator, aber diesmal mit geringerer Last (weniger Strom) von 1 kΩ statt 15 Ω:
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 2.835E-02 Frequenz v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.990E+00 9.990E-03
Bei geringeren Wicklungsinduktivitäten sind die Primär- und Sekundärspannungen eher gleich, die Primär- und Sekundärströme jedoch nicht. In diesem speziellen Fall beträgt der Primärstrom 28,35 mA, während der Sekundärstrom nur 9,990 mA beträgt:fast dreimal so viel Strom auf der Primärseite wie auf der Sekundärseite.
Warum ist das? Bei geringerer Induktivität in der Primärwicklung gibt es eine geringere induktive Reaktanz und folglich einen viel größeren Magnetisierungsstrom. Ein beträchtlicher Teil des Stroms durch die Primärwicklung dient lediglich dazu, den Kern zu magnetisieren, anstatt zu übertragen Nutzenergie an die Sekundärwicklung und Last.
Ein idealer Transformator mit identischen Primär- und Sekundärwicklungen würde in beiden Wicklungssätzen für jeden Lastzustand gleiche Spannung und Strom aufweisen. In einer perfekten Welt würden Transformatoren die elektrische Leistung so reibungslos von der Primär- auf die Sekundärseite übertragen, als ob die Last direkt mit der primären Stromquelle verbunden wäre, ohne dass dort überhaupt ein Transformator vorhanden wäre.
Sie können jedoch sehen, dass dieses ideale Ziel nur erreicht werden kann, wenn es ein perfektes gibt Kopplung des magnetischen Flusses zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Da dies unmöglich zu erreichen ist, müssen Transformatoren für den Betrieb innerhalb bestimmter erwarteter Spannungs- und Lastbereiche ausgelegt sein, um eine möglichst optimale Leistung zu erzielen.
Vorerst ist das grundlegende Funktionsprinzip eines Transformators im Auge zu behalten:die Übertragung der Leistung vom Primär- zum Sekundärkreis über elektromagnetische Kopplung.
RÜCKBLICK:
- Gegeninduktivität ist, wo der magnetische Fluss von zwei oder mehr Induktoren „verknüpft“ ist, sodass eine Spannung in einer Spule proportional zur Stromänderungsrate in einer anderen induziert wird.
- Ein Transformator ist ein Gerät, das aus zwei oder mehr Induktoren besteht, von denen einer mit Wechselstrom betrieben wird und eine Wechselspannung über den zweiten Induktor induziert. Wenn der zweite Induktor an eine Last angeschlossen ist, wird Strom von der Stromquelle des ersten Induktors elektromagnetisch an diese Last gekoppelt.
- Der gespeiste Induktor in einem Transformator wird als Primärwicklung bezeichnet . Die stromlose Induktivität in einem Transformator wird als Sekundärwicklung bezeichnet .
- Der magnetische Fluss im Kern (Φ) eilt der Wellenform der Quellenspannung um 90° nach. Der Strom, der von der Primärspule von der Quelle gezogen wird, um diesen Fluss zu erzeugen, wird als Magnetisierungsstrom bezeichnet , und es eilt auch der Versorgungsspannung um 90° nach.
- Der gesamte Primärstrom in einem unbelasteten Transformator wird als Erregungsstrom bezeichnet und besteht aus Magnetisierungsstrom plus jeglichen zusätzlichen Strom, der erforderlich ist, um Kernverluste zu überwinden. In einem echten Transformator ist er nie perfekt sinusförmig, kann aber noch stärker werden, wenn der Transformator so ausgelegt und betrieben wird, dass die magnetische Flussdichte auf einem Minimum gehalten wird.
- Der Kernfluss induziert eine Spannung in jeder Spule, die um den Kern gewickelt ist. Die induzierte(n) Spannung(en) sind idealerweise in Phase mit der Quellenspannung der Primärwicklung und haben dieselbe Wellenform.
- Jeder Strom, der von einer Last durch die Sekundärwicklung gezogen wird, wird an die Primärwicklung „reflektiert“ und von der Spannungsquelle abgezogen, als würde die Quelle direkt eine ähnliche Last versorgen.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Arbeitsblatt zur gegenseitigen Induktivität
- Arbeitsblatt für Step-up-, Step-down- und Isolationstransformatoren
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