Повышающие и понижающие трансформаторы: напряжение, ток и распределение мощности

Предыдущие разделы показывали моделирование трансформаторов с равной индуктивностью первичной и вторичной обмоток, что давало примерно равные напряжения и токи по обе стороны.

Когда индуктивности различаются, трансформатор ведёт себя иначе.

transformer
v1 1 0 ac 10 sin
rbogus1 1 2 1e-12
rbogus2 5 0 9e12
l1 2 0 10000
l2 3 5 100
k 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)
.end

freq v(2) i(v1)
6.000E+01 1.000E+01 9.975E-05 Primary winding
freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.962E-01 9.962E-04 Secondary winding

Обратите внимание: вторичное напряжение примерно в десять раз ниже первичного (0,9962 В против 10 В), а вторичный ток — примерно в десять раз выше (0,9962 мА против 0,09975 мА).

Это классический понижающий трансформатор: он снижает напряжение в 10 раз и увеличивает ток в то же количество раз.

Отношение витков 10:1 даёт соотношение первичного к вторичному напряжению 10:1 и обратное соотношение токов 1:10.

Что такое повышающие и понижающие трансформаторы?

Трансформаторы незаменимы для современных энергосистем. Повышая напряжение и снижая ток, они обеспечивают эффективную передачу электроэнергии на большие расстояния, минимизируя потери в линиях и позволяя использовать высоковольтные, низкоточные линии на обширных сетях.

И на электростанциях, и на потребителе специализированные трансформаторы понижают напряжение до безопасных, экономичных уровней.

Трансформатор, повышающий напряжение от первичной к вторичной (больше витков во вторичной), называется повышающим. Обратный, понижающий напряжение — понижающим.

Поперечный срез трансформатора: первичная (много витков) и вторичная (мало витков) обмотки.

В понижающем блоке вторичная должна нести больший ток, поэтому она намотана проводом большего сечения, в то время как первичная может использовать более тонкий провод.

Обратимость работы трансформатора

Трансформаторы принципиально могут работать в обратном режиме — подачей переменного тока на вторичную и снятием мощности с первичной. Это превращает повышающий в понижающий и наоборот, при условии, что напряжения и токи обмоток остаются в пределах проектных значений, чтобы избежать неэффективности или повреждения.

Маркировка обмоток трансформатора

Промышленная практика часто маркирует обмотки для избежания путаницы. Обмотку с более высоким напряжением обозначают «H» (H1, H2, …), а с более низким — «X» (X1, X2, …). Эти соглашения помогают техникам идентифицировать выводы первичной и вторичной сторон, особенно в сложных установках.

Практическое значение повышающих и понижающих трансформаторов

Трансформаторы лишь перераспределяют существующую мощность; они не создают её. Произведение напряжения и тока (мощность) остаётся постоянным — за вычетом нескольких процентов потерь в сердечнике и меди — соблюдая закон сохранения энергии.

До появления эффективных трансформаторов для преобразования напряжения использовались моторно-генераторные комплексы. Хотя они были эффективны, в них было две стадии преобразования, снижая общий КПД до ~90% и менее, и вводили механический износ.

В отличие от них, трансформаторы не имеют движущихся частей, достигают высокого КПД (часто >98%) и необходимы для надёжного, экономичного распределения электроэнергии.

Однако трансформаторы не могут изменить частоту переменного тока или преобразовать переменный ток в постоянный. Для таких задач нужны моторно-генераторные комплексы или силовая электроника.

Моторно-генераторные комплексы также обеспечивают кинетическое накопление энергии: при прерывании первичного питания вращающаяся масса может кратковременно продолжать вращать генератор, сглаживая кратковременные сбои.

Анализ работы повышающих и понижающих трансформаторов

Результаты SPICE показывают, что отношение индуктивностей обмоток определяет соотношения напряжений и токов. В нашем примере первичная катушка (l1) имеет 10 000 Гн против 100 Гн у вторичной — отношение индуктивностей 100:1.

Поскольку индуктивность пропорциональна квадрату числа витков (L ∝ N²), отношение индуктивностей 100:1 соответствует отношению витков 10:1. Следовательно, отношения напряжений и токов также равны 10:1.

Индуктивность ∝ N².

Таким образом, коэффициент преобразования трансформатора — это просто отношение числа витков первичной к вторичной.

Понижающий трансформатор: много витков на первичной, мало на вторичной.

Как зубчатые передачи обменивают скорость и момент, отношение витков трансформатора обменивает напряжение на ток (или наоборот).

Аналогия с передачей: уменьшение момента при увеличении скорости.

Крупные силовой трансформаторы могут быть размером с дом. На изображении ниже показан подстанционный трансформатор высотой около двенадцати футов.

Подстанционный трансформатор.

Резюме

• Трансформаторы меняют напряжение в отношении первичных к вторичным виткам.
• Повышающий трансформатор повышает напряжение; понижающий — снижает.
• Коэффициент преобразования равен квадратному корню из отношения первичной к вторичной индуктивности.

См. Step‑Up, Step‑Down, and Isolation Transformers Worksheet для тренировочных задач.