Tại sao máy biến áp sử dụng nhiều lượt như vậy?

Máy biến áp có hàng trăm vòng trên cả cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp, và kết quả là sử dụng dây đồng rất mỏng cho mỗi dây. Nhưng, tại sao họ không chỉ sử dụng ít lượt hơn trên mỗi cuộn dây và có cùng tỷ lệ điện áp?

Quan trọng hơn, tại sao không sử dụng ít vòng dây dày hơn để tăng VA? (thay vì 1000: 100 lượt dây 22 awg, tại sao không phải 100: 10 lượt dây 16 awg nếu điều này sẽ tăng VA)

Khi bạn đặt điện áp vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp, một dòng điện sẽ chạy, ngay cả khi thứ cấp là mạch hở. Lượng của dòng điện này được xác định bởi độ tự cảm của cuộn sơ cấp. Chính phải có độ tự cảm đủ cao để giữ cho hiện tại hợp lý. Đối với máy biến áp công suất 50 hoặc 60 Hz, độ tự cảm này khá cao và bạn thường không thể đến đó với một số vòng nhỏ trong cuộn dây.

Nếu bạn chỉ có 1 lần bật lõi sắt, nó có thể có độ tự cảm là (giả sử) 1 uH. Khi bạn áp dụng hai lượt tự cảm không tăng gấp đôi, nó tăng gấp bốn lần. Vậy hai lượt có nghĩa là 4 uH. "Vậy thì sao?" bạn có thể nói!

Vâng, đối với một điện áp xoay chiều nhất định được áp dụng, dòng điện được lấy bởi hai cuộn dây đó là một phần tư dòng điện cho một cuộn dây một lần. Hãy lưu ý bởi vì đây là cơ bản trong việc hiểu bão hòa cốt lõi.

Điều gì gây ra bão hòa cốt lõi (một cái gì đó chủ yếu được tránh)? Câu trả lời là hiện tại và số lượt. Nó được gọi là động lực từ tính và nó có kích thước của các vòng xoay.

Vì vậy, với hai lượt và một phần tư dòng điện, vòng xoay ampe (lực động lực từ tính) bằng một nửa so với cuộn dây một lượt. Vì vậy, ngay lập tức chúng ta có thể quan sát thấy rằng nếu hai lượt đưa lõi đến "cạnh" bão hòa, một cuộn dây đơn sẽ bão hòa đáng kể và là một vấn đề lớn.

Đây là lý do cơ bản tại sao máy biến áp sử dụng nhiều lượt chính. Nếu một máy biến áp nhất định có 800 vòng và đang ở điểm bão hòa, việc giảm đáng kể các lượt sẽ làm bão hòa lõi.

Điều gì xảy ra khi lõi bão hòa bạn có thể yêu cầu. Độ tự cảm bắt đầu giảm và dòng điện được lấy nhiều hơn và điều này bão hòa lõi nhiều hơn và tốt hơn, bạn nên xem điều này sẽ đi đến đâu.

Lưu ý rằng câu trả lời này đã không xem xét bất cứ điều gì khác ngoài cuộn dây chính; thực tế, chúng ta chỉ nói về độ tự cảm từ tính chính - chính cái này và cái này có thể làm bão hòa lõi. Dòng tải thứ cấp không có phần để chơi trong bão hòa lõi.

Cũng lưu ý rằng máy biến áp được sử dụng trong các nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi tốc độ cao có tương đối ít lượt; 10 henry ở 50 Hz có trở kháng 3142 ohms và 1 mH ở 500 kHz có cùng trở kháng. Đối với một lõi tự nhiên tạo ra 10 uH cho một lượt, để cuộn 1 mH cần mười lượt (hãy nhớ rằng nó được bình phương trong công thức cho độ tự cảm). Đối với lõi tương tự ở tần số 50 Hz (tất nhiên là không thực tế), 10 henry cần 1000 lượt.

Nếu bạn có lõi sắt cho máy biến áp, một trong những thông số kỹ thuật của nó là "phải có bao nhiêu vòng dây trên một volt khi tần số được đưa ra". Người ta không thể bỏ qua thông số này và có ít lượt hơn mà không có hậu quả sau

• giảm hiệu quả
• dòng điện ngang không mong muốn hơn chỉ gây ra tổn thất, nhưng không có gì hữu ích cho quá trình biến đổi điện áp

Dòng điện ngang có thể được làm thấp hơn bằng cách tăng độ tự cảm của cuộn dây sơ cấp.

Thông số lần lượt / volt là hệ quả của danh sách các sự kiện sau đây mà tất cả đều có xu hướng làm cho cuộn cảm cuộn dây nhỏ hơn:

• vật liệu sắt có tính thấm từ hạn chế
• lõi sắt không thể được làm bằng sắt đầy đủ. Nó được chia thành các lớp cách điện mỏng để giữ cho dòng điện xoáy đủ nhỏ trong lõi. Vật liệu cách nhiệt lấy không gian của nó và đó là từ sắt
• từ thông của một cuộn dây một phần bỏ qua sắt và các cuộn dây khác
• quá nhiều dòng điện ngang gây ra bão hòa từ trong sắt. Độ bão hòa triệt để làm giảm tính thấm từ

Làm thế nào một người có thể chiến đấu chống lại những điều này bằng cách thêm nhiều lượt? Đó là bởi vì độ tự cảm tăng theo bình phương của số lượt. Người ta có thể arque: Nhưng từ hóa (= lượt x hiện tại) cũng phát triển! Đúng, nhưng nó chỉ phát triển tuyến tính, do đó đủ lượt, sau đó cuối cùng độ tự cảm đủ cao để vượt qua những nhược điểm.

Chính xác, không phải tất cả nhược điểm. Không gian có hạn. Do đó nhiều lượt hơn có nghĩa là dây phải mỏng hơn. Điều này làm tăng điện trở và tổn thất điện trở (= sưởi ấm).

Máy biến áp hoạt động bằng cách truyền năng lượng thông qua từ thông từ bên này sang bên kia.

Cả hai mặt được tạo thành bởi cuộn cảm, cuộn cảm sơ cấp tạo ra từ trường, được cảm ứng vào cuộn cảm thứ cấp.

$\Phi$

Độ tự cảm của cuộn cảm được xác định bởi số vòng quay (bên cạnh diện tích hoặc kích thước):

Xem Wikipedia về điện cảm

Một máy biến áp nhỏ thường là mong muốn, vì vậy nhiều lượt tốt hơn kích thước lớn hơn (chỉ cần đặt).

Độ tự cảm phải phù hợp với tần số chính. Mặt khác, cuộn dây sơ cấp bây giờ sẽ cho phép đủ dòng điện và do đó dòng từ tính chạy (đối với tần số cao hơn) hoặc giống như một mạch ngắn (đối với tần số thấp hơn). Cả hai đều không mong muốn.

Tần số thấp hơn đòi hỏi độ tự cảm cao hơn (= nhiều lượt hoặc lõi lớn hơn). Đây là lý do tại sao việc chuyển đổi nguồn cung cấp năng lượng, sử dụng tần số cao hơn trong phạm vi tần số kHz - MHz, sử dụng các máy biến áp nhỏ như vậy trong khi có thể truyền nhiều năng lượng hơn so với các máy biến áp thông thường.

Một trích dẫn từ bài viết trên Wikipedia về máy biến thế :

EMF của máy biến áp ở mật độ từ thông cho trước tăng theo tần số. ^[16] Bằng cách hoạt động ở tần số cao hơn, máy biến áp có thể nhỏ gọn hơn về mặt vật lý vì một lõi nhất định có thể truyền nhiều năng lượng hơn mà không đạt đến độ bão hòa và cần ít lượt hơn để đạt được trở kháng tương tự .

(Nhấn mạnh của tôi.)

Xem Wikipedia về Ảnh hưởng của tần số đến máy biến áp

Vì thế,

• công suất mà máy biến áp cần truyền được xác định bởi dòng điện chạy qua cuộn dây của nó
• dòng điện phải tiến hành xác định độ dày của dây (đóng vào kích thước)
• kích thước của cuộn dây và số vòng quay xác định độ tự cảm
• độ tự cảm ở một tần số nhất định quyết định khả năng truyền năng lượng

Kết luận: bạn cần làm cho máy biến áp lớn hơn về mặt vật lý để giảm số lượng cuộn dây. Khi giảm số lượng cuộn dây bạn giảm hiệu quả và tăng tổn thất. Và điều này thường không được mong muốn.

Từ trường cực đại trong lõi có liên quan đến điện áp cực đại trên mỗi lượt. Diện tích lõi càng lớn, càng nhiều volt mỗi lượt có thể được tạo ra.

Từ trường trong lõi không được phép vượt quá một giá trị bão hòa nhất định, nếu nó có tính thấm của giọt sắt và máy biến áp phải rút ra các dòng có cường độ lớn hơn để duy trì từ tính. Vì vậy, điều này giới hạn nghiêm ngặt có thể hỗ trợ bao nhiêu volt mỗi lượt, và do đó cung cấp cho bạn số vòng quay tối thiểu cho bất kỳ cuộn dây nào.

Đối với một lõi hình xuyến nhỏ (50 VA, ish?) Điển hình tôi phải xử lý, tiết diện lõi là 25 mm x 13 mm. Nếu tôi chạy lõi với đỉnh từ thông ở mức ± 1,8 T ở 50 Hz, nó sẽ tạo ra khoảng 170 mV đỉnh mỗi lượt. Vì vậy, cuộn dây 12 Vrms sẽ cần 100 vòng, cuộn dây chính 240 V sẽ cần 2000. Tôi có thể sử dụng nhiều lượt hơn thế này, nhưng ít lượt hơn sẽ đẩy lõi vào trạng thái bão hòa.

Nếu tôi sử dụng lõi có diện tích mặt cắt ngang của tà vẹt đường sắt, 130 mm x 250 mm, tôi có thể nhận được 12 Vrms trong một lượt, nhưng cũng là một biến áp khá khó sử dụng.

Tiền đề cơ bản của bạn là sai, vì vậy câu hỏi không thể thực sự được trả lời.

Máy biến áp có nhiều loại điện áp và dòng điện cho đầu vào và đầu ra của chúng. Một số sử dụng nhiều vòng dây mỏng (điện áp cao, dòng điện thấp). Một số sử dụng vài lượt dây dày (điện áp thấp, dòng điện cao).

Vì vậy, câu trả lời cho "Tại sao họ không ..." , là "Họ làm" (khi nó phù hợp).

Đối với những người không thích câu trả lời này

Tôi thấy câu trả lời này đã nhận được một số lượng downvote và về cùng số lượng upvote. Rõ ràng đó là tranh cãi. Một số người coi đó là chất lượng thấp, đặc biệt là sau khi những người khác suy đoán về ý nghĩa thực sự của OP trong các bình luận.

Bất chấp những gì người khác nghĩ OP có nghĩa là gì, anh ta khởi đầu với một tiền đề sai lầm rõ ràng, đó là máy biến áp có 100 vòng quay trên cả hai loại gốc và phụ và dây đồng "mỏng" luôn được sử dụng. Sau đó, nó có vẻ giống như một trong những câu hỏi "Tại sao mọi người không làm theo cách rõ ràng khác" này .

Đây là những gì tôi đã trả lời. Đây là câu trả lời chính xác cho câu hỏi như được giải thích ở trên. Có lẽ đó không phải là những gì OP muốn hỏi. Có lẽ nó là. Lưu ý rằng OP đã không quay lại để cung cấp bất kỳ sự làm rõ hoặc chỉnh sửa câu hỏi nào cả.

Một câu hỏi hay hơn nhiều sẽ là về sự đánh đổi của ít vòng dây dày hơn so với nhiều vòng dây mỏng hơn. Điều đó được hỏi một cách tôn trọng mà không thông qua phán xét trước hoặc giả định trước các cơ sở sai lầm sẽ nhận được một câu trả lời rất khác nhau. Tuy nhiên, một lần nữa, đó là những gì thực sự được hỏi, và thậm chí cả những gì có vẻ như OP có nghĩa.

Ngay cả khi OP quay lại và thay đổi câu hỏi, tôi sẽ để câu trả lời này như một lời nhắc nhở để đặt câu hỏi đúng và rõ ràng, và không bắt đầu bằng cách nêu các giả định sai là sự thật.