ทำไมหม้อแปลง AC ถึงไม่ไหม้

ฉันคุ้นเคยกับการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเล็กน้อย หลังจากดูคำถามนี้:

ทำไมมอเตอร์ทุกเครื่องถึงไม่ไหม้ทันที

ฉันคิดเรื่องเดียวกันกับหม้อแปลง AC

ขดลวดปฐมภูมิควรให้ความต้านทานน้อยมากและทำให้กระแสไหลได้มาก ฉันเดาว่าความต้านทานมาจากสนามแม่เหล็กที่ผันผวน ถูกต้องหรือไม่ ถ้าเป็นเช่นนั้นฉันสมมติว่ากระแสเพิ่มขึ้นเมื่อมีการวางโหลดบนขดลวดทุติยภูมิเพราะสนามแม่เหล็กไม่ยุบลงในขดลวดปฐมภูมิ แต่ใช้โดยขดลวดทุติยภูมิแทน?

นอกจากนี้ยังหมายความว่าถ้ากระแสตรงถูกวางไว้บนหม้อแปลงว่ามันจะทำให้เกิดปัญหา? (เช่นกระแสสูงมาก)

ฉันแน่ใจว่าฉันไม่ได้พูดอย่างถูกต้องดังนั้นฉันหวังว่าจะมีคนตั้งตรง

เพื่อสรุปคำถามของฉันพฤติกรรมของขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลง (ในแง่ของการไหลของกระแส) เมื่อไม่มีการวางภาระบนขดลวดทุติยภูมิคืออะไรและการเปลี่ยนแปลงอะไรเมื่อวางอยู่บนขดลวดทุติยภูมิ?

Andy ให้คำตอบเชิงวิชาการแบบคลาสสิกกับคำถามของคุณ ทุกสิ่งที่เขากล่าวมานั้นถูกต้อง แต่ฉันสงสัยว่าเป็นผู้เริ่มต้นคุณจะเข้าใจมันเป็นส่วนใหญ่ ขอผมลองคำอธิบายง่ายๆ

หลักของหม้อแปลงเป็นขดแผลรอบแกนเหล็กซึ่งสามารถใช้หนึ่งในหลายรูปร่าง ขดลวดปฐมภูมินี้มีความต้านทานต่ำมาก (วัดความต้านทานของหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไปที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตั้งโต๊ะด้วย DMM และคุณจะพบว่ามันเป็นเพียงไม่กี่โอห์ม.) เชื่อมต่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงกับสิ่งนี้ผลลัพธ์ค่อนข้างจะคาดเดาได้ แหล่งจ่ายแรงดันจะส่งกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ตามความสามารถในการพันขดลวดหลักและหม้อแปลงจะร้อนมากและอาจขึ้นไปในควัน นั่นหรือแหล่งจ่ายไฟ DC ของคุณจะระเบิดฟิวส์เผาตัวเองหรือเข้าสู่โหมด จำกัด ปัจจุบันหากมีการติดตั้ง ในขณะที่กระแสไฟฟ้าสูงไหลเวียนขดลวดปฐมภูมิกำลังผลิตสนามแม่เหล็กแบบทิศทางเดียวในแกนหม้อแปลง

ทีนี้วัดการเหนี่ยวนำของทุติยภูมิด้วยมิเตอร์ LRC (นั่นเป็นอุปกรณ์ที่คล้ายกับ DMM ซึ่งใช้วัดการเหนี่ยวนำความต้านทานและความจุ - "LRC" เท่านั้น) สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า 60 Hz คุณน่าจะอ่านเฮนรี่ของการเหนี่ยวนำข้ามสองสายหลัก

$X_L = 2 \pi f L$ เพื่อปรับ "ปฏิกิริยาเชิงอุปนัย" ("$X_L$") ของขดลวดปฐมภูมิที่" f "เป็นความถี่ AC Main ที่ 60 Hz สำหรับสหรัฐอเมริกาคำตอบ $X_L$อยู่ในหน่วยของ Ohms เหมือนกับความต้านทานกระแสตรง แต่ในกรณีนี้คือ "AC Ohms" หรือที่เรียกว่า "อิมพีแดนซ์"

จากนั้นใช้ค่านี้ของ $X_L$ ถึง "กฎของโอห์ม" เช่นเดียวกับที่คุณทำกับตัวต้านทานที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายกระแสตรง $I = \frac{V}{X_L}$. ในกรณีปกติของสหรัฐอเมริกาเรามี 120 โวลต์อาร์เอ็มเอสเป็นวีตอนนี้คุณจะเห็นว่า "I" ปัจจุบันเป็นค่าที่สมเหตุสมผล น่าจะเป็นสองสามร้อย milliamps ("RMS" ด้วย) นั่นเป็นเหตุผลที่คุณสามารถนำ 120 โวลต์ไปใช้กับหม้อแปลงที่ไม่ได้โหลดได้และมันจะทำงานเป็นเวลาหนึ่งศตวรรษโดยไม่มีปัญหา กระแสหลักไม่กี่ร้อยล้านมิลลิวินาทีที่เรียกว่า "กระแสการกระตุ้น" สร้างความร้อนในขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า แต่หม้อแปลงเชิงกลจำนวนมากสามารถจัดการกับความร้อนจำนวนนี้ได้ด้วยการออกแบบตลอดไป อย่างไรก็ตามดังที่อธิบายไว้ข้างต้นจะไม่ใช้แหล่งจ่ายไฟ 5 VDC แต่ใช้เวลาสักครู่ในการเผาไหม้หม้อแปลงเดียวกันนี้หากแหล่งจ่ายไฟ DC นั้นสามารถจ่ายกระแสไฟขนาดใหญ่พอที่จะขับม้วนคอยล์ DC ที่ต่ำได้สำเร็จ นั่นคือ "ปาฏิหาริย์" ของปฏิกิริยารีเอเจนต์! มัน'

สำหรับหม้อแปลงที่ไม่ได้โหลด ตอนนี้เชื่อมต่อโหลดตัวต้านทานที่เหมาะสมกับอุปกรณ์รอง กระแสการกระตุ้นที่อธิบายไว้ข้างต้นจะยังคงไหลที่ขนาดเดียวกันมากขึ้นหรือน้อยลง แต่ตอนนี้และกระแสเพิ่มเติมจะไหลในหลัก สิ่งนี้เรียกว่า "กระแสที่สะท้อนกลับ" ซึ่งเป็นกระแสที่เกิดจากกระแสโหลดตัวต้านทานตัวที่สองจากตัวรองของหม้อแปลง ขนาดของกระแสที่สะท้อนนี้ถูกกำหนดโดยอัตราส่วนรอบของหม้อแปลงไฟฟ้า วิธีที่ง่ายที่สุดในการกำหนดกระแสที่สะท้อนคือการใช้วิธี "VA" (volts-amps) คูณแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิของตัวคูณด้วยกระแสเป็นแอมป์ที่ถูกดึงโดยโหลดตัวต้านทานที่ติดอยู่กับตัวทุติยภูมิ (นี่คือ "วัตต์" - โวลต์คูณแอมป์) "วิธี VA" กล่าวว่า VA ของรองต้องเท่ากับ VA ที่เพิ่มขึ้นของหลัก ("เพิ่มขึ้น" ในกรณีนี้หมายถึง "นอกเหนือจากการกระตุ้นปัจจุบัน") ดังนั้นหากคุณมีหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ typcial ที่มี 120 VRMS หลักและ 6 VRMS รองและคุณแนบ 6 โอห์มตัวต้านทานรองที่ 6 โหลดโอห์มจะดึง 1.0 Amp RMS จากชุดที่สอง ดังนั้นรอง VA = 6 x 1 = 6 VA รองนี้จะต้องเท่ากับตัวเลข VA หลักซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 120 VRMS 0 Amp RMS จากอุปกรณ์สำรอง ดังนั้นรอง VA = 6 x 1 = 6 VA รองนี้จะต้องเท่ากับตัวเลข VA หลักซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 120 VRMS 0 Amp RMS จากอุปกรณ์สำรอง ดังนั้นรอง VA = 6 x 1 = 6 VA รองนี้จะต้องเท่ากับตัวเลข VA หลักซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 120 VRMS
Primary VA = Secondary VA = 6 = 120 x I
I = 6/120 หรือ RMS เพียง 50 มิลลิแอมป์

คุณสามารถตรวจสอบส่วนใหญ่ได้โดยใช้ DMM แบบง่ายเพื่อวัดกระแสในปฐมภูมิและทุติยภูมิภายใต้สภาวะไม่มีโหลดและโหลด ลองด้วยตัวคุณเอง แต่ต้องระวังเรื่องหลักเพราะ 120 VRMS นั้นใกล้จะตายแล้ว อย่างไรก็ตามคุณจะไม่สามารถสังเกตเห็นกระแส "ส่วนเพิ่ม" โดยตรงในหลักที่เกิดจากการเพิ่มภาระให้กับรอง ทำไม? คำตอบนั้นไม่ง่ายเลย! กระแสกระตุ้นและกระแสที่สะท้อนนั้นอยู่ที่ 90 องศานอกเฟส พวกเขา "เพิ่ม" แต่รวมกันตามคณิตศาสตร์เวกเตอร์และนั่นเป็นการสนทนาอื่นทั้งหมด

น่าเสียดายที่คำตอบที่แสดงออกอย่างสวยงามของแอนดี้ข้างต้นนั้นแทบจะไม่ได้รับการชื่นชมเว้นแต่ผู้อ่านจะเข้าใจคณิตศาสตร์เวกเตอร์เนื่องจากมันถูกนำไปใช้กับวงจร AC ฉันหวังว่าคำตอบของฉันและการทดสอบการตรวจสอบของคุณจะทำให้คุณมีความเข้าใจเชิงตัวเลขในระดับที่ดีว่าหม้อแปลงไฟฟ้า "ทำงาน" ได้อย่างไร

I'm assuming that the current increases when a load is placed on the secondary coil because the magnetic field doesn't collapse into the primary coil but is used by the secondary coil instead?

It sounds right but it isn't. Generally speaking, for a reasonably efficient transformer, the magnetization of the core is constant under any secondary load conditions. The trouble is, how do I explain that without convincing you that the transformer equivalent circuit (below) is not wrong: -

Things to note: -

• Xm is 99.9% the primary inductance of the transformer
• Xp (การเหนี่ยวนำการรั่วไหลหลัก) ทำขึ้น 0.1% สุดท้ายของการเหนี่ยวนำหลัก
• Xs และ Rs เป็นตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหลทุติยภูมิและความต้านทานที่คดเคี้ยวซึ่งอ้างถึงตัวหลักโดยการกระทำของอัตราส่วนรอบกำลังสอง
• สิ่งที่ดูเหมือนว่าหม้อแปลง (ทางด้านขวา) ไม่ควรถูกมองเช่นนี้ - มันเป็นตัวแปลงพลังงานที่สมบูรณ์แบบและไม่สร้างสนามแม่เหล็กเลย - เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยคณิตศาสตร์และฉันต้องการให้โลงศพที่วาดรูปเหล่านี้ จะแสดงมันเหมือนกล่องดำ !!

อย่างที่คุณสามารถเห็นได้แม้ภายใต้สภาวะที่มีภาระมากโวลต์ - ดรอปจาก Rp และ Xp นั้นมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับแรงดันไฟฟ้า AC อินพุตและนั่นหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าข้าม Xm ค่อนข้างคงที่ โปรดทราบว่า Xm เป็นองค์ประกอบเดียวที่สร้างแม่เหล็กในแกนกลาง ไม่เชื่อใช่มั้ย ฉันจะไม่โทษคุณ

นี่เป็นอีกวิธีหนึ่งในการดู

ชุดของรูปภาพ 4 รูปด้านล่างพยายามแสดงให้เห็นว่าการมีส่วนร่วมของฟลักซ์จากกระแสโหลดทั้งในระดับประถมศึกษาและมัธยมศึกษามีค่าเท่ากันและตรงข้ามกันดังนั้นจึงมีการยกเลิกฟลักซ์ มันแสดงให้เห็นถึงหม้อแปลง 1: 1 อย่างง่าย ๆ แต่ใช้กับอัตราส่วนการเลี้ยวที่ต่างกันเพราะฟลักซ์เป็นสัดส่วนกับแอมป์ - เทิร์นไม่ใช่แอมป์ ดูภาพแต่ละภาพเป็นตัวเลข: -

1) ใช่ความต้านทานของหม้อแปลงแบบเปิดมาจากสนามแม่เหล็กที่ผันผวน (พยายามเปลี่ยนสนามแม่เหล็กของแกนกลาง)

2) ใช่หากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงถูกวางไว้บนตัวหลักคุณกำลังมีปัญหาหม้อแปลงอาจไหม้ได้ (เว้นแต่จะได้รับการจัดอันดับสำหรับกระแสนั้นด้วยเหตุผลบางอย่าง) ฉันได้สูญเสียขดลวดในรถจักรยานยนต์เก่าสองสามครั้งด้วยเหตุผลที่คล้ายกัน: เปิดทิ้งไว้โดยที่มอเตอร์ดับขดลวดถูกเผาและพลาสติกหยดออกมา

3) เมื่อไม่มีโหลดบนตัวทุติยภูมิกระแสที่ผ่านตัวปฐมภูมิจะต้องผ่านตัวเหนี่ยวนำที่มีขนาดใหญ่ / แข็งมาก ('ตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหล') ของขดลวดปฐมภูมิ

4) เมื่อโหลดบนตัวทุติยภูมิกระแสที่สองจะยกเลิกผลกระทบที่แกนกลางของกระแสหลัก

หม้อแปลงที่ออกแบบมาสำหรับ DC เพื่อให้ไหลผ่านมันถูกเรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์ saturable และใช้เป็นสวิตช์ เช่น DC อิ่มตัวแกนแม่เหล็กดังนั้นแหล่งจ่ายไฟกระแสสลับไม่สามารถเปลี่ยนฟลักซ์ในแกนเออร์โกแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับรองเป็นศูนย์ได้ เมื่อปิดกระแสไฟ DC กระแสฟลักซ์ในแกนสามารถเปลี่ยนได้และการกระทำของหม้อแปลงปกติจะเกิดขึ้นซึ่งนำไปสู่แรงดันไฟฟ้า AC ที่ระดับรอง

อุปกรณ์ที่คล้ายกัน แต่อุปกรณ์ที่ใช้กระแสไฟฟ้ากระแสสลับแกนกลางเรียกว่าหม้อแปลงเฟอร์โร - เรโซแนนท์ สิ่งเหล่านี้ถูกใช้เพื่อรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิของหม้อแปลง อุปกรณ์นี้มีสองวินาทีซึ่งหนึ่งในนั้นจะถูก shorted โดยตัวเก็บประจุที่มีขนาดใหญ่ค่าอื่น ๆ ที่เป็นคดเคี้ยวเอาท์พุท