Повышающие и понижающие трансформаторы

До сих пор мы наблюдали моделирование трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки имели одинаковую индуктивность, что давало примерно равные уровни напряжения и тока в обеих цепях. Однако равенство напряжения и тока между первичной и вторичной сторонами трансформатора не является нормой для всех трансформаторов.

Если индуктивности двух обмоток не равны, происходит кое-что интересное:

 трансформатор v1 1 0 ac 10 грех rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 10000 l2 3 5 100 к l1 l2 0,999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .print ac v (3,5) i (vi1) .конец 

 частота v (2) i (v1) 6.000E + 01 1.000E + 01 9.975E-05 Первичная обмотка частота v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.962E-01 9.962E-04 Вторичная обмотка 

Обратите внимание, что вторичное напряжение примерно в десять раз меньше первичного (0,9962 вольт по сравнению с 10 вольт), а вторичный ток примерно в десять раз больше (0,9962 мА по сравнению с 0,09975 мА).

У нас есть устройство, которое понижает напряжение вниз . в десять раз и сейчас выше в десять раз:

Соотношение витков 10:1 дает соотношение напряжения первичной обмотки к вторичной обмотке 10:1 и соотношение тока первичной обмотки к вторичной обмотке 1:10.

Что такое повышающие и понижающие трансформаторы?

Это действительно очень полезное устройство. С его помощью мы можем легко умножить или разделить напряжение и ток в цепях переменного тока. Действительно, трансформатор сделал передачу электроэнергии на большие расстояния реальностью, поскольку напряжение переменного тока может быть «повышено», а ток «понижен» для уменьшения потерь мощности сопротивления проводов вдоль линий электропередач, соединяющих генерирующие станции с нагрузками.

На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузках) уровни напряжения снижаются трансформаторами для более безопасной работы и менее дорогого оборудования.

Трансформатор, который увеличивает напряжение от первичной до вторичной (больше витков вторичной обмотки, чем витков первичной обмотки), называется повышающим . трансформатор.

Напротив, трансформатор, предназначенный для работы прямо противоположным образом, называется понижающим . трансформатор.

Давайте еще раз рассмотрим фотографию, показанную в предыдущем разделе:

Поперечное сечение трансформатора с указанием первичной и вторичной обмоток составляет несколько дюймов (приблизительно 10 см).

Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое число витков первичной обмотки и низкое число витков вторичной обмотки. В качестве понижающего блока этот трансформатор преобразует низковольтную слаботочную мощность в низковольтную сильноточную мощность.

Провод большего сечения, используемый во вторичной обмотке, необходим из-за увеличения тока. Первичная обмотка, которая не должна проводить такой большой ток, может быть сделана из провода меньшего сечения.

Обратимость работы трансформатора

Если вам интересно, это возможно управление любым из этих типов трансформаторов в обратном направлении (питание вторичной обмотки от источника переменного тока и обеспечение питания нагрузки первичной обмоткой) для выполнения противоположной функции:повышающий может функционировать как понижающий и наоборот.

Однако, как мы видели в первом разделе этой главы, эффективная работа трансформатора требует, чтобы индуктивности отдельных обмоток были спроектированы для определенных рабочих диапазонов напряжения и тока, поэтому, если трансформатор будет использоваться «в обратном направлении», как это, он должен использоваться в пределах исходных проектных параметров напряжения и тока для каждой обмотки, чтобы она не оказалась неэффективной (или во избежание повреждения чрезмерным напряжением или током!).

Этикетки с конструкцией трансформатора

Трансформаторы часто конструируются таким образом, что не очевидно, какие провода ведут к первичной обмотке, а какие - к вторичной. В электроэнергетике, чтобы избежать путаницы, в электроэнергетике используется обозначение «H» для обмотки более высокого напряжения (первичная обмотка в понижающем блоке; вторичная обмотка в повышающем) и «X». обозначения низковольтной обмотки.

Следовательно, у простого силового трансформатора будут провода с маркировкой «H ₁ . »,« H ₂ »,« X ₁ »И« X ₂ ». Обычно это важно для нумерации проводов (H ₁ против H ₂ и т. д.), которые мы рассмотрим немного позже в этой главе.

Практическое значение повышающих и понижающих трансформаторов

Тот факт, что напряжение и ток «скачкообразно меняются» в противоположных направлениях (одно вверх, другое вниз), имеет смысл, если вспомнить, что мощность равна напряжению, умноженному на ток, и понять, что трансформаторы не могут производить мощность, только преобразовать.

Любое устройство, которое может выдавать больше энергии, чем потребляет, нарушит закон сохранения энергии . в физике, а именно, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована. Как и в случае с первым рассмотренным нами примером трансформатора, эффективность передачи энергии от первичной к вторичной стороне устройства очень хорошая.

Практическое значение этого становится более очевидным, когда рассматривается альтернатива:до появления эффективных трансформаторов преобразование уровня напряжения / тока могло быть достигнуто только за счет использования двигателей / генераторных установок.

Чертеж двигателя / генераторной установки показывает основной принцип:(рисунок ниже)

=

Мотор-генератор иллюстрирует основной принцип работы трансформатора.

В такой машине двигатель механически соединен с генератором, причем генератор предназначен для выработки требуемых уровней напряжения и тока при скорости вращения двигателя.

Хотя и двигатели, и генераторы являются довольно эффективными устройствами, использование обоих таким образом усугубляет их неэффективность, так что общий КПД находится в диапазоне 90% или меньше. Кроме того, поскольку для двигателей / генераторных установок, очевидно, требуются движущиеся части, механический износ и балансировка являются факторами, влияющими как на срок службы, так и на производительность.

С другой стороны, трансформаторы способны преобразовывать уровни переменного напряжения и тока с очень высоким КПД без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющейся.

Справедливости ради следует отметить, что моторные / генераторные установки не обязательно заменяются трансформаторами для всех приложения.

Хотя трансформаторы явно превосходят двигатели / генераторные установки для преобразования переменного напряжения и уровня тока, они не могут преобразовывать одну частоту переменного тока в другую или (сами по себе) преобразовывать постоянный ток в переменный или наоборот.

Электродвигатели / генераторные установки могут выполнять все эти задачи с относительной простотой, хотя и с уже описанными ограничениями эффективности и механических факторов.

Электродвигатели / генераторные установки также обладают уникальным свойством накопления кинетической энергии:то есть, если подача питания двигателя на мгновение прерывается по какой-либо причине, его угловой момент (инерция этой вращающейся массы) будет поддерживать вращение генератора в течение короткого промежутка времени. , таким образом изолируя любые нагрузки, питаемые от генератора, от «сбоев» в основной энергосистеме.

Анализ работы повышающего и понижающего трансформатора

Присмотревшись к числам в анализе SPICE, мы должны увидеть соответствие между коэффициентом трансформации трансформатора и двумя индуктивностями. Обратите внимание на то, что первичная катушка индуктивности (l1) имеет в 100 раз большую индуктивность, чем вторичная катушка индуктивности (10000 Гн против 100 Гн), и что измеренный коэффициент понижения напряжения был 10:1.

Обмотка с большей индуктивностью будет иметь более высокое напряжение и меньший ток, чем другая.

Поскольку две катушки индуктивности намотаны вокруг одного и того же материала сердечника в трансформаторе (для наиболее эффективной магнитной связи между ними), параметры, влияющие на индуктивность двух катушек, равны, за исключением количества витков в каждой катушке.

Если мы еще раз посмотрим на нашу формулу индуктивности, мы увидим, что индуктивность пропорциональна квадрату количества витков катушки:

Таким образом, должно быть очевидно, что наши две катушки индуктивности в последней примерной схеме трансформатора SPICE - с отношениями индуктивности 100:1 - должны иметь отношение витков катушки 10:1, поскольку 10 в квадрате равняется 100.

Это соответствует тому же соотношению, которое мы обнаружили между первичным и вторичным напряжениями и токами (10:1), поэтому мы можем, как правило, сказать, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен отношению витков обмотки между первичной и вторичной обмотками.

Понижающий трансформатор:(много витков:несколько витков).

Повышающий / понижающий эффект отношения витков катушки в трансформаторе аналогичен передаточному отношению зубчатого колеса в механических зубчатых передачах, преобразуя значения скорости и крутящего момента во многом таким же образом:

Редукторная передача снижает крутящий момент, одновременно увеличивая скорость.

Повышающие и понижающие трансформаторы для целей распределения энергии могут быть гигантскими по сравнению с показанными ранее силовыми трансформаторами, причем некоторые блоки могут достигать высоты дома. На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около двенадцати футов:

Трансформатор подстанции.

ОБЗОР:

• Трансформаторы «повышают» или «понижают» напряжение в соответствии с соотношением витков первичной и вторичной обмоток.

• Трансформатор, предназначенный для увеличения напряжения от первичной до вторичной, называется повышающим . трансформатор. Трансформатор, предназначенный для понижения напряжения с первичной обмотки на вторичную, называется понижающим . трансформатор.
• Коэффициент трансформации трансформатора будет равен квадратному корню из отношения его первичной индуктивности к вторичной индуктивности (L).

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица повышающих, понижающих и изолирующих трансформаторов