부하가 걸린 변압기

교육과정: GCSE, Sek I/II

목표¶

변압기의 1차 회로와 2차 회로의 전류와 전력을 비교하고, 변압기의 효율을 어림합니다.

실험 장치¶

50 Hz 교류 전압원(정현파, 진폭 12 V, 실효값 8.5 V)이 전류계를 거쳐 변압기의 1차 권선(500회)에 연결되어 있습니다. 2차 회로(250회)에는 전류계와 3.5 V / 1 W 전구가 있습니다. 변압기 위의 전압계는 1차 권선과 2차 권선의 전압을 표시하며, 모든 계기는 AC 모드입니다. 1차 회로의 전류계 위에 있는 전력계는 1차 권선이 소비하는 전력을 표시합니다.

실험 방법¶

네 장비의 측정값 \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\)를 기록하세요.
비 \(U_2 / U_1\)와 \(I_1 / I_2\)의 값을 계산하고, 권수비 \(N_2 / N_1\)와 비교하세요.
전력계에서 1차 회로의 전력 \(P_1\)을 기록하고, 2차 회로의 전력 \(P_2 = U_2 \cdot I_2\)를 계산하세요(전구는 저항성 부하입니다). 효율 \(\eta = P_2 / P_1\)를 구하세요. \(P_1\)을 곱 \(U_1 \cdot I_1\)과 비교하세요.
2차 권선 수를 150으로 설정하세요. 전구의 밝기와 전류 \(I_1\)은 어떻게 달라졌습니까?

예상 결과

측정값은 대략 \(U_1\) = 8.38 V, \(I_1\) = 146 mA, \(U_2\) = 3.55 V, \(I_2\) = 286 mA, \(P_1\) = 1.12 W입니다. 1차 회로의 전류가 2차 회로의 전류보다 작은 비율은 1차 권선의 전압이 2차보다 큰 비율과 거의 같습니다(\(I_1 / I_2\) ≈ 0.51 ≈ \(N_2 / N_1\)). 2차 회로의 전력은 약 1.01 W, 효율은 약 90%이며, 손실은 권선의 발열입니다. 곱 \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1.23 V·A는 \(P_1\)보다 큽니다. 이것은 피상 전력이며, 1차 전류의 일부는 에너지를 소비하지 않고 앞뒤로 주고받기만 하는 자화 전류입니다. 부하가 걸리면 \(U_2 / U_1\) = 0.42로, 부하가 없을 때보다 눈에 띄게 작습니다. 전압의 일부가 권선의 저항에서, 그리고 자기 선속의 누설 때문에 손실됩니다. 2차 권선의 권선 수가 적으면 전구가 더 어둡게 빛나고, 1차 회로의 전류도 줄어듭니다.

질문¶

강압 변압기에서는 왜 1차 권선의 전류가 더 작습니까?
전구가 소비하는 전력은 어디에서 옵니까?
변압기의 효율은 왜 100%보다 작습니까?

답

변압기는 적은 손실로 1차 회로에서 2차 회로로 에너지를 전달하므로, 두 회로의 전력은 거의 같습니다. 전력이 같으면 전압이 높은 쪽에 더 작은 전류가 흐릅니다. 1차는 146 mA, 2차는 286 mA로 비는 약 0.51이며, \(N_2 / N_1\) = 0.5에 가깝습니다.
교류 전압원에서 옵니다. 1차 전류가 철심에 교번 자기 선속을 만들고, 이 자기 선속이 전구에 전류를 흐르게 하는 전압을 유도하므로, 에너지는 자기장을 통해 2차로 전달됩니다. 1차 권선이 전압원에서 받는 1.12 W 가운데 전구가 받는 것은 약 1.01 W입니다.
에너지의 일부가 권선을 가열합니다. 시뮬레이터는 권선에 2.5 Ω(500회)과 0.625 Ω(250회)의 저항을 부여하며, \(I^2 \cdot R\)로 계산하면 각각 약 0.05 W가 되어 \(P_1\)과 \(P_2\)의 차이 0.11 W를 설명합니다. 실제 변압기는 강철 철심에서도 맴돌이 전류와 히스테리시스로 에너지를 잃지만, 시뮬레이터의 철심에는 그런 손실이 없습니다.