¿Por qué los transformadores son más eficientes a frecuencias más altas?

Answer 1

Los transformadores son más eficientes a frecuencias más altas porque a medida que aumentamos, las pérdidas de frecuencia disminuyen. (¡SÍ! Se vuelven)
Hay principalmente dos tipos de pérdidas.

1. Pérdida de histéresis (proporcional a [matemática] B_m ^ {1.6} f [/ matemática])
2. Pérdida de corriente parásita (proporcional a [matemática] B_m ^ 2 f ^ 2 [/ matemática])

Ahora parece que las pérdidas aumentan con el aumento de la eficiencia … Pero espere hay una cosa más que debe saber, es decir, las ecuaciones anteriores son válidas cuando la densidad de flujo ([matemática] B_m [/ matemática]) permanece constante. La belleza de esta pregunta es que cuando aumenta la densidad de flujo de frecuencia no permanece constante, en realidad disminuye con el aumento de frecuencia.

Recuerde [matemáticas] V = 4.44B_m A f T_ {ph} [/ matemáticas]
Entonces, de la ecuación anterior, está claro que si aumenta la frecuencia [matemática] B_m [/ matemática] disminuye a medida que V es constante. entonces [math] B_m [/ math] es proporcional a [math] V / f [/ math].

Ahora sustituya Bm en las dos primeras ecuaciones y obtendrá algo como esto:
1. Pérdida de histéresis proporcional a [matemática] V ^ {1.6} f ^ {- 0.6} [/ matemática]
2. Pérdida de corriente parásita proporcional a [matemática] V ^ 2 [/ matemática]

Como puede ver, la pérdida de histéresis disminuye con el aumento de la frecuencia y la pérdida de corriente parásita no cambia con la frecuencia. Por lo tanto, la eficiencia del transformador aumenta con el aumento de la frecuencia.

Answer 2

No son inherentemente más eficientes. Puede tener un transformador terriblemente ineficiente a 44Khz: la frecuencia elegida porque fue la última que diseñé 😛

Pero puede obtener más energía a través de un espacio dado a frecuencias más altas. Lo que estás preguntando, creo, es por qué es así. La respuesta está ahí: son 44Khz. Hay más cambios de voltaje por segundo que a la frecuencia de línea: 60 Hz aquí en los EE. UU. Las transiciones (DV / DT o cambio de voltaje frente a cambio en el tiempo) es donde tiene lugar la transferencia de energía. Cuando el voltaje en el devanado primario está * cambiando *, lo que provoca un cambio en la corriente, es cuando el flujo está cambiando. El cambio de flujo induce voltaje en el secundario. Cuantos más cambios por unidad de tiempo, más energía puede transmitir.

Sin embargo, esa no es la razón completa. El núcleo es el grande. A bajas frecuencias, el núcleo debe ser más grande o se convierte en lo que se denomina “saturado”. Cuanto más baja es la frecuencia, más fácil es saturar un núcleo. El núcleo es una gran parte de la reactancia inductiva y una vez que se satura, “desaparece”: no puede soportar más magnetismo, la parte que desempeña en la reactancia inductiva desaparece y la corriente a través de los devanados pasa por el techo, se vuelve resistiva solo a mayor corriente, y un buen devanado tiene muy poca resistencia. Esto es malo sin reactancia para soportar el voltaje.

A altas frecuencias hay menos tiempo para que esto suceda antes de que el flujo se revierta. Esta es una simplificación excesiva, pero un modelo mental útil. Por lo tanto, no necesita tanto material de núcleo y pluma: su transformador es más pequeño.

Yay física.

Tenga en cuenta que el cable aún debe ser lo suficientemente grueso como para transportar la corriente que necesita. Pero en su mayor parte, estos transformadores de alta frecuencia se encuentran en fuentes de alimentación conmutadas como en el cargador de su teléfono. No suministran mucha corriente, por lo que el cable puede ser bastante fino.

Answer 3

Los transformadores son bastante complicados cuando se llega a los detalles. El diseño de los transformadores es clave para su rendimiento de frecuencia.

Como alguien notó, no pueden trabajar en DC y no pueden trabajar en frecuencia infinita y la verdad resultante es que la frecuencia. La curva de eficiencia versus eficiencia para todos los transformadores es una curva de bañera invertida, con un pico estrecho o amplio a la frecuencia más óptima.

Puede cambiar el pico hacia arriba o hacia abajo en frecuencia mediante la forma en que diseña el transformador, optimizando el tamaño y el costo. La construcción (grosor de las placas), la forma del núcleo, el tipo de material en el núcleo laminado, el tipo de bobinados de alambre, el cuidado con la capacitancia parásita, todo influye en el rendimiento de la frecuencia.

Muchos de los llamados transformadores de fuente de alimentación están optimizados para una eficiencia máxima que incluye el rango de 50-60 Hz.

Pero la eficiencia general de los transformadores puede alcanzar un pico mucho más alto con transformadores más pequeños para los mismos niveles de potencia finales, por lo que tenemos fuentes de alimentación conmutadas pequeñas, compactas y eficientes que operan a 100 KHz o más. Esa es la mejor evidencia de un rendimiento superior del transformador a altas frecuencias.

Answer 4

El fenómeno de la inducción mutua (también conocido como EMF posterior) entre conductores en un devanado de transformador (o motor) es lo que limita la corriente. Un transformador de distribución de servicios públicos muy grande tendrá 735 Kv en un devanado primario de solo unos pocos ohmios de resistencia. (0 ohmios si pudieran hacerlo). El equipo está diseñado para funcionar de manera eficiente en 60 Hz. Otro ejemplo es un motor de frecuencia ajustable. A medida que se reduce la frecuencia, también lo es el voltaje. De lo contrario, la corriente sería excesiva y quemaría el motor.

Me doy cuenta de que a medida que reducimos la frecuencia de la fem, estamos haciendo que el circuito sea “más y más DC”.

Eficiencia del transformador de referencia a frecuencias bajas (y altas)

Answer 5

Piensa en lo que hace un transformador.

La corriente alterna fluye a través de la bobina primaria y, a medida que cambia la corriente en la bobina primaria, la corriente en la bobina secundaria cambia proporcionalmente. Eso significa que no hay corriente inducida en la bobina secundaria en los picos de la onda sinusoidal que es corriente alterna porque no hay cambio. Solo el cambio induce corriente en la bobina secundaria. El cambio en la corriente es solo la pendiente (con un coeficiente) de la onda sinusoidal de CA porque V = IR, por lo que a medida que el voltaje cambia, la corriente cambia proporcionalmente.

Ahora, piense en esa pendiente en una frecuencia más baja.

(Ignore los tonos: se trata del sonido. Simplemente mire los gráficos para ver ejemplos de baja y alta frecuencia).

La pendiente más alta de la frecuencia más alta resulta en una corriente más alta, y también resulta en menos tiempo cerca de los picos con poca o ninguna pendiente. Eso lo hace más eficiente porque minimiza el tiempo que se induce la corriente en el devanado de cobre.

El devanado de cobre no es perfecto y tiene cierta resistencia. Entonces, la forma de reducir la pérdida es pasar el menor tiempo posible induciendo corriente en el devanado de cobre sin “transformarlo”, lo que significa una frecuencia más alta.

Answer 6

Los transformadores se pueden hacer razonablemente eficientes en una amplia gama de frecuencias, pero es un problema de optimización delicado, y la eficiencia de cualquier transformador en particular se reducirá tanto en las frecuencias bajas como en las altas para las que fue diseñada.

La caída a baja frecuencia se debe a que el modelo idealizado de un transformador es una aproximación que se aplica en la medida en que la resistencia de carga (transformada al lado de entrada de la manera habitual por el cuadrado de la relación de espiras) es pequeña en comparación con la reactancia de El transformador considerado como un inductor simple. Si conecta una resistencia de carga infinita, el lado de salida se vuelve irrelevante y solo tiene la bobina de entrada sentada dibujando corriente como inductor. Excepto, por supuesto, que es un inductor con una cantidad significativa de resistencia, por lo que representa ineficiencia. Y dado que la reactancia es [matemática] X = j \ omega L [/ matemática], cuanto menor es la frecuencia, menor es la reactancia y más todo parece una bobina de calentamiento.

Answer 7

En la Segunda Guerra Mundial y durante años posteriores, muchos sistemas eléctricos de aeronaves fueron diseñados para operar con una potencia de 400 Hz en lugar de una potencia de 60 Hz porque la frecuencia más alta permitía que los transformadores de potencia, bobinados de motor, etc. usaran menos vueltas y un área central más pequeña. Por lo tanto, eran más pequeños y usaban menos hierro, por lo que tenían menos peso para que el avión los levantara y transportara. No sé si eran eléctricamente más eficientes, pero podría decirse que son más eficientes en la “misión”.

Answer 8

De la ecuación de fem de X’mer E = 4.44fNAB ( http://en.wikipedia.org/wiki/Tra …)

donde E = voltaje f = frecuencia A = Área N = número de vueltas B = densidad de flujo magnético en general, podemos decir A = E / (4.44fNB) para el valor constante de E, N, B si aumentamos F, entonces Área de el núcleo disminuirá significa que se reducirá el tamaño del transformador. Tamaño del transformador versus frecuencia

Answer 9

La frecuencia más baja verá una impedancia más baja, habrá más corriente que empujará más hacia la rodilla no lineal de la curva BH, el transformador será menos eficiente pero manejará algo más de potencia máxima.

Answer 10

Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la reactancia inductiva del transformador y, por lo tanto, menor la corriente de excitación sin carga. En resumen, la corriente es inversamente proporcional a la frecuencia (I = V / XL). Cuanto menor es la corriente de excitación, menores son las pérdidas internas, lo que aumenta la eficiencia.

Answer 11

Un transformador solo puede transferir una cantidad fija de energía por ciclo de flujo. Entonces, cuantos más ciclos por segundo, más energía se transfiere. Entonces, la eficiencia, en vatios por libra, aumenta.

Sin embargo, la eficiencia general de entrada / salida disminuye a frecuencias muy altas a medida que el núcleo comienza a calentarse.