Relación de devanado del transformador versus conteo real de devanado

El voltaje de salida del transformador depende de la relación del recuento de bobinados en las bobinas primarias y secundarias, pero ¿hay un impacto en el rendimiento del transformador por el recuento de bobinados real?

Digamos, quiero tener una relación de 1: 2, podría enrollar 10:20 o 100: 200 devanados.

En general, más devanados: mayor resistencia, inductancia y costo. ¿Hay algún punto en enrollar más o se mantiene el recuento de bobinados al mínimo absoluto? ¿Cómo se determina el recuento de bobinado mínimo?

El campo magnético inducido es proporcional a las vueltas de amperios, es decir, el número actual de vueltas. La energía eléctrica se convierte en energía magnética en el núcleo y vuelve a ser eléctrica. El núcleo debe ser lo suficientemente grande como para sostener eso sin saturar. Para un transformador de 100 VA, desea transferir más energía magnéticamente que para un transformador de 10 VA. El 100 VA es más grande porque tiene más turnos para construir un campo más fuerte y también necesita un núcleo más grande para evitar que se sature.

Digamos, quiero tener una relación de 1: 2, podría enrollar 10:20 o 100: 200 devanados

Hay dos razones para responder esto y Brian ha hecho un trabajo decente al explicar el problema básico con muy pocas vueltas en la primaria, pero se ha perdido un par de sutilezas. La otra razón es señalar el error en la respuesta actualmente aceptada.

Ignorando el devanado secundario (y cualquier carga que pueda estar conectada a él), el transformador se convierte en un inductor. Si este inductor se coloca a través de un suministro de CA, desea que la inductancia sea lo suficientemente alta como para evitar que se tome una gran corriente reactiva del suministro; las compañías de energía estarían en pie si cada primario del transformador tomara 10 amperios de corriente reactiva. ¡el sistema de suministro de la red se estrellaría y ardería!

Pero también hay otra razón y esto se relaciona con la saturación del núcleo. Todavía estoy hablando del transformador como inductor aquí; las vueltas de amperios y las dimensiones del núcleo determinan el campo H dentro del núcleo y los amperios están determinados por la inductancia (y el voltaje de alimentación). A su vez, la inductancia está determinada por otros parámetros centrales y el número de vueltas.

Entonces, compare 10 vueltas con 100 vueltas: el primario de 100 vueltas tiene 100 veces la inductancia del primario de 10 vueltas y esto significa que la corriente (para un suministro de CA fijo) es 100 veces menor que para el primario de 10 vueltas.

Por lo tanto, los amplificadores se han reducido en 100, pero los giros han aumentado en 10, por lo que el efecto neto es que los giros en amperios se han reducido en 10; esto significa que el campo H se ha reducido en diez y es mucho menos probable que el núcleo se sature.

Si conecta la carga secundaria, la corriente en la primaria aumenta de la corriente de magnetización básica a una corriente más alta. Este cambio en la corriente se llama corriente referida primaria tomada por la carga secundaria.

Entonces, ahora podría haber dos juegos más de amperios a considerar: los amperios secundarios y los amperios primarios adicionales debido a la carga secundaria. Digo "podría" porque, de hecho, no tenemos que considerarlos en absoluto: se cancelan perfectamente dentro del núcleo y el núcleo ya no está más saturado debido a la corriente de carga que cuando la carga secundaria no estaba allí.

Pero, una gran cantidad de ingenieros no parecen apreciar eso, parece poco intuitivo, así que, ¿cómo puedo convencer a un incrédulo? Considere los 4 escenarios siguientes: -

Los escenarios 1 y 2 tratan de convertir un único devanado primario en dos devanados paralelos. S1 tiene una corriente de magnetización de Im y, por lo tanto, cada devanado en S2 toma Im / 2. En otras palabras, los cables paralelos estrechamente acoplados se comportan como un solo cable. Curiosamente, cada cable S2 DEBE tener ahora el doble de inductancia y, si reorganiza esos dos cables para que estén en serie, tendría una inductancia primaria que es 4 veces mayor que S1; esto demuestra que duplicar el número de vueltas cuadruplica inductancia. Diez veces el número de vueltas significa cien veces la inductancia.

S3 le pide que considere qué sucede cuando uno de los devanados paralizados de S2 se desconecta: ¿cuál sería la relación de fase del voltaje en este devanado desconectado en comparación con el voltaje del devanado primario? ¡Si considera que es antifase con el voltaje primario, entonces lo que hubiera sucedido en el escenario 2 habría creado un incendio!

Entonces, claramente el voltaje inducido en el devanado desconectado (S3) es la misma fase (y magnitud) que el voltaje primario.

S4 debe estar libre: conecte una carga al devanado aislado y la corriente que fluye en el primario está en la dirección opuesta a la corriente que fluye en el "nuevo" secundario.

En resumen, esto significa que las vueltas de amperios en el primario (debido a la corriente de carga secundaria) SON totalmente canceladas por las vueltas de amperios en el secundario.

Esto también significa que un transformador que se requiere para manejar una mayor potencia de carga no se hace más grande debido a la posibilidad de saturación del núcleo. Se hace más grande para que se puedan usar cables más gruesos (menor pérdida de cobre) y cables más gruesos requieren más espacio, por lo tanto, un núcleo más grande.

Para cualquier transformador, desea transferir la mayor parte de la energía suministrada a la carga, por lo que desea desperdiciar la menor potencia posible en el transformador.

Sin embargo, debe gastar algo de energía para magnetizar el núcleo en cada medio ciclo, y el número de vueltas influye en la potencia requerida para hacerlo. Puede modelar esta energía desperdiciada como una inductancia conectada a través del primario, por lo que desea maximizar la impedancia de esta inductancia para minimizar la energía desperdiciada.

Y la inductancia es proporcional al cuadrado del número de vueltas, por lo que el primario de 100 vueltas tendrá 100 veces la inductancia del primario de 10 vueltas.

Para aumentar la impedancia puedes hacer tres cosas:

1. Aumenta la frecuencia de conducción. Por lo tanto, es posible que solo necesite 10 vueltas con una frecuencia de conducción de 5 kHz o superior, como se ve en una fuente de alimentación conmutada.
2. Cambie el material o la geometría del núcleo del transformador. (Las laminaciones E / I de acero al silicio son las más óptimas para el funcionamiento a 50 Hz, pero la ferrita con menor inductancia específica tiene ventajas a frecuencias más altas)
3. Aumenta el número de turnos. Si está atascado con hierro de silicio y 50Hz, esta es su única opción, por lo tanto, la mayoría de los transformadores de red tienen bobinados primarios de varios cientos de vueltas.