Perché i trasformatori CA non si bruciano

Ho un po 'di familiarità con il modo in cui funziona un trasformatore CA. Dopo aver visualizzato questa domanda:

Perché non tutti i motori si bruciano all'istante?

Mi ha fatto pensare alla stessa cosa con i trasformatori CA.

La bobina primaria dovrebbe fornire pochissima resistenza e consentire quindi a molta corrente di fluire. Sto indovinando che la resistenza viene dal campo magnetico fluttuante. È corretto? In tal caso, suppongo che la corrente aumenti quando viene caricato un carico sulla bobina secondaria perché il campo magnetico non collassa nella bobina primaria ma viene invece utilizzato dalla bobina secondaria?

Inoltre, ciò significa che se una corrente CC fosse posizionata su un trasformatore, ciò causerebbe problemi? (cioè corrente molto elevata)

Sono sicuro che non lo sto dicendo correttamente, quindi spero che qualcuno possa sistemarmi.

Per riassumere la mia domanda, qual è il comportamento della bobina primaria di un trasformatore (in termini di flusso di corrente) quando nessun carico è posto sulla bobina secondaria e cosa cambia quando un carico è posizionato sulla bobina secondaria?

Andy ti ha dato la classica risposta accademica alle tue domande. Tutto ciò che ha affermato è accurato, ma dubito che da principiante capirai la maggior parte. Quindi, lasciami provare una semplice spiegazione.

Il primario di un trasformatore è una bobina avvolta attorno a un nucleo di ferro che può assumere una di diverse forme. Questo avvolgimento primario ha una resistenza molto bassa. (Misura la resistenza di un tipico trasformatore di potenza utilizzato nelle apparecchiature elettroniche da banco con un DMM e scoprirai che è solo pochi Ohm.) Collega una sorgente di tensione CC a questo, il risultato è abbastanza prevedibile. La sorgente di tensione fornirà una corrente tanto grande quanto è in grado di avvolgere l'avvolgimento primario e il trasformatore diventerà molto caldo e probabilmente salirà in fumo. Questo, o la vostra alimentazione DC, farà bruciare un fusibile, si brucerà da solo o entrerà in modalità limite di corrente, se in dotazione. Per inciso, mentre questa corrente alta scorre, l'avvolgimento primario produce effettivamente un campo magnetico unidirezionale nel nucleo del trasformatore.

Ora, misura l'induttanza del secondario con un misuratore LRC. (Questo è un dispositivo simile a DMM che misura solo induttanza, resistenza e capacità - "LRC".) Per un trasformatore di potenza a 60 Hz probabilmente leggerai alcuni Henries di induttanza attraverso i suoi cavi primari.

Successivamente, applica quel valore "L" alla formula per calmare la "reattanza induttiva" (" X L ") dell'avvolgimento primario dove "f" è la frequenza principale CA di 60 Hz per gli Stati Uniti . La risposta, X L , è in unità di Ohm proprio come la resistenza DC, ma in questo caso si tratta di "Ohm AC", ovvero "impedenza".$X_L = 2 \pi f L$$X_L$$X_L$

Quindi, applica questo valore di alla "Legge di Ohm" proprio come faresti con un resistore collegato a una sorgente CC. I = $X_L$$I = \frac{V}{X_L}$. Nel solito caso negli Stati Uniti abbiamo 120 volt RMS come V. Ora vedrai che l'attuale "I" è un valore abbastanza ragionevole. Probabilmente alcune centinaia di milliampere (anche "RMS"). Ecco perché puoi applicare 120 volt al trasformatore senza carico e funzionerà per un secolo senza problemi. Questa corrente primaria di alcune centinaia di milliampere, chiamata "corrente di eccitazione" produce calore nella bobina primaria del trasformatore, ma la maggior parte meccanica del trasformatore può gestire questa quantità di calore progettando praticamente per sempre. Tuttavia, come descritto sopra, non ci vorrebbe un alimentatore da 5 V CC ma pochi minuti per bruciare questo stesso trasformatore se quell'alimentazione CC fosse in grado di fornire una corrente abbastanza grande da pilotare con successo la bobina CC a basso R. Questo è il "miracolo" della reattanza induttiva! E'

Questo è per il trasformatore senza carico. Ora collega un carico resistivo appropriato al secondario. La corrente di eccitazione sopra descritta continuerà a fluire più o meno alla stessa grandezza. Ma ora e corrente aggiuntiva scorrerà nel primario. Questa è chiamata "corrente riflessa" - la corrente "causata" dal carico resistivo secondario che assorbe corrente dal secondario del trasformatore. L'entità di questa corrente riflessa è determinata dal rapporto di giri del trasformatore di potenza. Il modo più semplice per determinare la corrente riflessa è utilizzare il metodo "VA" (volt-amp). Moltiplicare la tensione secondaria del trasformatore per la corrente in ampere assorbita dal carico resistivo collegato al secondario. (Questo è essenzialmente "Watts" - volt volte amp.) Il "Metodo VA" dice che il VA del secondario deve essere uguale al VA incrementale del primario. ("Incrementale" in questo caso significa "in aggiunta alla corrente di eccitazione".) Quindi, se si dispone di un trasformatore di alimentazione CA con un primario 120 VRMS e un secondario 6 VRMS e si collega un resistore da 6 Ohm al secondario, quello Il carico di 6 Ohm assorbirà 1,0 Amp RMS dal secondario. Quindi, il VA secondario = 6 x 1 = 6. Questo VA secondario deve corrispondere numericamente al VA primario, dove la tensione è 120 VRMS. 0 Amp RMS dal secondario. Quindi, il VA secondario = 6 x 1 = 6. Questo VA secondario deve corrispondere numericamente al VA primario, dove la tensione è 120 VRMS. 0 Amp RMS dal secondario. Quindi, il VA secondario = 6 x 1 = 6. Questo VA secondario deve corrispondere numericamente al VA primario, dove la tensione è 120 VRMS.
VA primario = VA secondario = 6 = 120 x I.
I = 6/120 o solo 50 milli-Amp RMS.

È possibile verificare la maggior parte di questo utilizzando un semplice DMM per misurare le correnti in primario e secondario in condizioni di assenza di carico e carico. Provalo tu stesso, ma fai attenzione al primario perché quel 120 VRMS è quasi letale. Tuttavia, NON sarà possibile osservare direttamente la corrente "incrementale" nel primario causata dall'aggiunta del carico al secondario. Perché? Quella risposta non è così semplice! La corrente di eccitazione e la corrente riflessa sono sfasate di 90 gradi. Si "sommano", ma si sommano secondo la matematica vettoriale, e questa è un'altra discussione del tutto.

Sfortunatamente, la risposta meravigliosamente espressa di Andy sopra sarà a malapena apprezzata a meno che il lettore non capisca la matematica vettoriale quando viene applicata ai circuiti CA. Spero che la mia risposta, e i tuoi esperimenti di verifica, ti forniranno una comprensione numerica a livello intestinale di come "funziona" un trasformatore di potenza.

Suppongo che la corrente aumenti quando un carico viene posizionato sulla bobina secondaria perché il campo magnetico non collassa nella bobina primaria ma viene invece utilizzato dalla bobina secondaria?

Sembra giusto ma non lo è. In generale, per un trasformatore ragionevolmente efficiente, la magnetizzazione del nucleo è costante in qualsiasi condizione di carico secondario. Il problema è, come posso spiegare che senza convincerti che il circuito equivalente del trasformatore (sotto) non è sbagliato: -

Cose da notare: -

• Xm è il 99,9% dell'induttanza primaria del trasformatore
• Xp (induttanza di dispersione primaria) costituisce lo 0,1% finale dell'induttanza primaria
• Xs e Rs sono induttanza di dispersione secondaria e resistenza di avvolgimento riferite al primario per azione del rapporto di giri al quadrato.
• La cosa che sembra un trasformatore (a destra) non dovrebbe essere considerata come tale - è un perfetto convertitore di potenza e non genera alcun magnetismo - è un dispositivo per aiutare la matematica e vorrei che i cofani che disegnano queste immagini lo mostrerei come una scatola nera !!

Come puoi vedere, anche in condizioni di carico elevato, la caduta di tensione da Rp e Xp è piccola rispetto a una tensione CA in ingresso e questo significa che la tensione attraverso Xm è abbastanza costante. Si noti che Xm è l'unico componente che produce magnetismo nel nucleo. Non sei convinto eh? Non ti biasimerei.

Ecco un altro modo di vederlo

La serie di 4 immagini di seguito tenta di dimostrare che i contributi di flusso delle correnti di carico sia primarie che secondarie sono uguali e opposti e pertanto il flusso si annulla. Mostra un semplice trasformatore 1: 1 ma si applica allo stesso modo a diversi rapporti di virata poiché il flusso è proporzionale agli ampere e non agli amplificatori. Guarda ogni immagine numericamente a turno: -

1) Sì, l'impedenza di un trasformatore aperto proviene dal campo magnetico fluttuante (cercando di cambiare il campo magnetico del nucleo)

2) Sì, se viene posta una tensione CC sul primario, si è in difficoltà, il trasformatore potrebbe bruciarsi. (A meno che non sia valutato per quella corrente, per qualche motivo). Ho perso la bobina su una vecchia motocicletta un paio di volte per motivi simili: lasciato acceso con il motore spento, la bobina si è bruciata e la plastica è fuoriuscita.

3) Senza carico sul secondario, la corrente attraverso il primario deve passare attraverso l'induttanza molto grande / molto rigida ("induttanza di dispersione") della bobina primaria.

4) Con un carico sul secondario, la corrente secondaria annulla l'effetto sul nucleo della corrente primaria.

Un trasformatore progettato per il flusso di corrente continua attraverso di esso viene chiamato reattore saturabile e viene utilizzato come interruttore; vale a dire che la CC satura il nucleo magnetico, quindi l'alimentazione CA non può modificare il flusso nel nucleo, ergo, la tensione CA secondaria è zero. Quando la corrente CC è disattivata, il flusso nel nucleo può ora cambiare e ha luogo la normale azione del trasformatore, portando alla tensione CA sul secondario.

Un dispositivo simile, ma che si basa sulla corrente CA che satura il nucleo, è chiamato trasformatore ferro-risonante. Questi sono stati usati per stabilizzare a buon mercato la tensione secondaria di un trasformatore. Questo dispositivo ha due secondari, uno dei quali è cortocircuitato da un condensatore di grande valore, l'altro è l'avvolgimento di uscita.