Какая обмотка в понижающем трансформаторе имеет большее количество витков

Какая обмотка в понижающем трансформаторе имеет большее количество витков

Повышающие и понижающие трансформаторы

До сих пор мы с вами рассматривали трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки имели одинаковую индуктивность, давая примерно одинаковые уровни напряжения и тока в обоих цепях. Однако, равенство напряжений и токов между первичной и вторичной обмотками трансформатора не является нормой для всех трансформаторов. Если индуктивности двух обмоток имеют разную величину, происходит нечто интересное:

Обратите внимание на то, что вторичное напряжение примерно в десять раз меньше первичного (0,9962 вольт против 10 вольт), а вторичный ток примерно в десять раз превышает первичный (0,9962 мА против 0,09975 мА). В этом SPICE моделировании описано устройство, которое в десять раз понижает напряжение и в десять раз повышает ток.

Трансформатор — это очень полезное устройство. С его помощью мы легко можем повысить или понизить напряжение и ток в цепях переменного тока. Появление трансформаторов сделало практической реальностью передачу электроэнергии на большие расстояния. Трансформаторы позволяют уменьшить потери на проводах линий электропередач (соединяющих генерирующие станции с нагрузками) путем повышения переменного напряжения и понижения переменного тока. На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузках) трансформаторы понижают уровни напряжения до более безопасных значений и снижают стоимость применяемого оборудования. Трансформатор, который на выходе (во вторичной обмотке) вырабатывает более высокое напряжение, чем приложено на входе (к первичной обмотке), называется повышающим трансформатором (его вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная). И наоборот, понижающий трансформатор вырабатывает на своем выходе меньшее напряжение, чем подается на его вход, поскольку его вторичная обмотка имеет меньшее число витков по сравнению с первичной.

Посмотрите еще раз на фотографию, показанную в предыдущей статье:

На поперечном разрезе трансформатора хорошо видно первичную и вторичную обмотки.

Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое количество витков первичной обмотки и малое число витков вторичной обмотки. Он преобразует высокое напряжение и маленький ток в низкое напряжение и большой ток. Благодаря большому току вторичной обмотки, в ней используется провод большого сечения. Первичная обмотка, ток в которой имеет небольшую величину, может быть выполнена из провода меньшего сечения.

Любой из рассмотренных типов трансформаторов можно использовать по противоположному назначению (подключить вторичную обмотку к источнику переменного напряжения, а первичную обмотку — к нагрузке). В этом случае трансформатор будет выполнять противоположную функцию: понижающий трансформатор будет функционировать как повышающий, и наоборот. Однако, для эффективной работы трансформатора индуктивности каждой из его обмоток должны быть спроектированы под конкретные рабочие диапазоны напряжения и тока (этот вопрос рассматривался в предыдущей статье). Поэтому, при использовании трансформатора по «противоположному» назначению, напряжения и токи его обмоток должны оставаться в исходных конструктивных параметрах. Только в этом случае трансформатор будет эффективен (и не будет поврежден чрезмерным напряжением или током!).

Трансформаторы часто имеют такую конструкцию, что не очевидно, какие провода принадлежат к первичной обмотке, а какие к вторичной. Во избежание путаницы, на многих трансформаторах (в основном импортного производства) используется обозначение «Н» для высоковольтной обмотки (первичная обмотка в понижающем трансформаторе, вторичная обмотка в повышающем трансформаторе), и обозначение «X» для низковольтной обмотки. Поэтому простой силовой трансформатор будет иметь провода с надписью «H1», «H2», «X1» и «X2».

Если вы вспомните, что мощность равна произведению напряжения и тока, то поймете почему напряжение и ток всегда движутся в «противоположных направлениях» (если напряжение увеличивается, то ток уменьшается, и наоборот). Вы так же поймете, что трансформаторы не могут производить энергию, они могут только преобразовывать ее. Любое устройство, которое могло бы произвести больше энергии, чем потребило, нарушило бы Закон сохранения энергии (энергия не может быть создана или уничтожена, она может быть только преобразована).

Практическая значимость вышесказанного становится более очевидной, когда рассматривается альтернатива: до появления эффективных трансформаторов, преобразование уровней напряжения и тока могло быть достигнуто только за счет использования установок, содержащих моторы и генераторы:

Установка мотор/генератор иллюстрирует основной принцип трансформатора

В этой установке мотор механически соединен с генератором. Генератор предназначен для получения желаемых уровней напряжения и тока за счет скорости вращения мотора. В то время, как и мотор и генератор являются достаточно эффективными устройствами, использование их в связке не обладает достаточной эффективностью, так что общий КПД установки находится в диапазоне 90% или менее. Кроме того, движущиеся части данных установок подвержены трению и механическому износу, а это, в свою очередь, влияет как на срок службы, так и на производительность. Трансформаторы же, с другой стороны, способны преобразовывать переменное напряжение и ток с очень высокой эффективностью без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.

Справедливости ради стоит сказать, что установки мотор/генератор не обязательно являются устаревшими в сравнении с трансформаторами во всех сферах применения. Если трансформаторы явно превосходят моторы/генераторы в преобразовании переменного напряжения и тока, то они не могут преобразовать одну частоту переменного тока в другую, а также преобразовать (сами по себе) постоянное напряжение в переменное или наоборот. Установки мотор/генератор могут все это делать относительно просто, хотя и с некоторыми ограничениями эффективности, описанными выше. Эти установки также обладают уникальным свойством сохранения кинетической энергии: то есть, если по какой-либо причине источник питания мотора мгновенно отключается, его угловой момент (инерция вращательного движения) будет еще некоторое время поддерживать вращение генератора, изолируя тем самым нагрузку (питаемую генератором) от «сбоев» в основной энергосистеме.

При внимательном просмотре цифр в SPICE анализе вы должны увидеть соотношение между коэффициентом трансформации и двумя индуктивностями. Обратите внимание на то, что первичная обмотка (l1) имеет в 100 раз большую индуктивность, чем вторичная (10000 Гн против 100 Гн), и что напряжение было понижено с 10 В до 1 В (в 10 раз). Обмотка с большей индуктивностью имеет более высокое напряжение и меньший ток. Поскольку обе обмотки трансформатора намотаны вокруг одного и того же сердечника (для наиболее эффективной магнитной связи между ними), параметры, влияющие на их индуктивность равны, за исключением количества витков в каждой из обмоток. Если мы еще раз взглянем на формулу индуктивности, то увидим, что индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа ее витков:

Таким образом, должно быть очевидно, что две обмотки трансформатора в вышеприведенном SPICE моделировании при соотношении их индуктивностей 100 : 1 должны иметь соотношение витков провода 10 : 1, так как 10 в квадрате равно 100. Поскольку соотношение витков соответствует соотношению между первичным и вторичным напряжениями и токами (10 : 1), мы можем сказать, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен соотношению витков провода между первичной и вторичной обмотками.

Повышающее / понижающее действие соотношения витков обмоток в трансформаторе аналогично соотношениям шестеренок в механических редукторных системах, которые преобразуют значения скорости и крутящего момента во многом таким же образом:

Повышающие и понижающие трансформаторы, применяющиеся для распределения электроэнергии, могут иметь гигантские размеры (сопоставимые с размером дома). На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около четырех метров:

• Трансформаторы «повышают» или «понижают» напряжение в соответствии с соотношениями витков первичных и вторичных обмоток.

• Коэффициент трансформации напряжения равен квадратному корню из отношения индуктивности первичной обмотки к индуктивности вторичной обмотки.

Источник

Трансформатор

Трансформаторы являются одними из самых распространенных электротехнических устройств, которые находят применение в самых различных областях — энергетике, промышленности, электронике, в быту. В частности, они нашли широкое практическое применение при передаче электроэнергии на большие расстояния, в распределительных системах, в различном промышленном и бытовом электрооборудовании.

Вообщем можно сказать, что трансформаторы окружают нас, порой даже незаметно, со всех сторон, начиная с трансформаторных подстанций и заканчивая зарядными устройствами для наших мобильных телефонов.

Все трансформаторы предназначены для работы только с переменным напряжением.

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, так как при подключении трансформатора к сети постоянного тока магнитный поток в нем будет неизменный во времени и, следовательно, не будет индуктировать ЭДС в обмотках.

Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Этот ток может вызвать недопустимый нагрев обмотки и даже ее перегорание.

Коротко назначение трансформатора можно охарактеризовать так: это устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Существуют трансформаторы как повышающего, так и понижающего типа. Правда в этом правиле есть одно исключение.

Разделительные трансформаторы

Это исключение — разделительные трансформаторы 220/220, которые предназначены для повышения электробезопасности, за счет гальванической развязки первичных цепей обмотки от вторичных, причем вторичная цепь не должна заземляться, чтобы исключить возможность замыкания вторичных цепей на землю.

Применение такого подключения существенно снижает вероятность поражения электрическим током, так как токи, возникающие в случае пробоя изоляции на корпус, имеют небольшое значение, что обусловлено гальванической изоляцией вторичных цепей трансформатора от цепей заземления.

Такие трансформаторы еще называют трансформаторами безопасности.

Применяются они в местах с повышенными требованиями электробезопасности, таких как подвалы, мед.учреждения, помещения с повышенной влажностью и т.д.

Повышающие и понижающие трансформаторы

В повышающем трансформаторе первичная обмотка имеет более низкое напряжение, число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка имеет низкое напряжение, а число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

То есть в понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U1 больше напряжения вторичной обмотки U2 в n-ое количество раз, а ток вторичной обмотки I2 больше тока первичной обмотки I1 также в n-ое количество раз.

В повышающем трансформаторе обратное соотношение между напряжениями в обмотках и между токами в них.

Например, если включить на полную мощность трансформатор, с напряжениям первичной обмотки U1 = 220V и вторичной U2 = 24V, то при номинальном токе первичной обмотки I1 = 3A, ток во вторичной обмотке будет равен I2 = 3 * (220/24) = 27,5 A.

Коэффициент трансформации

Отношение напряжения на зажимах первичной обмотки U1 к напряжению вторичной обмотки U2 трансформатора на холостом ходу называется коэффициентом трансформации и принимается равным соотношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. В случае, если количество обмоток более двух, коэффициент трансформации определяют последовательно для каждой пары.

Обозначается коэффициент трансформации буквой n (иногда встречается обозначение k) и рассчитывается как :

U1 и U2 – это напряжения на входе и выходе из трансформатора;

N1 и N2 — число витков первичной и вторичной обмоток;

Эти расчеты справедливы для трансформаторов напряжения, для трансформаторов тока формула будет выглядеть следующим образом:

I1 и I2 – это токи первичной и вторичной цепей;

То есть в данном случае коэффициент трансформации рассчитывается как отношение первичного и вторичного токов.

Эти расчеты верны для идеальных условий работы трансформатора, в реальности же необходимо учитывать потери мощности на нагрев обмоток, вихревые токи, сдвиг фаз и т.д.

Все эти факторы будут влиять на точность преобразования и вносить погрешность в расчеты. И если для общепромышленных трансформаторов это не так существенно, то для измерительных трансформаторов точность имеет большое значение.

Принцип работы трансформаторов

Принцип действия всех трансформаторов основан на явлении электромагнитной индукции.

Если первичную обмотку трансформатора подключить к сети источника переменного тока, то по ней будет проходить переменный ток, который возбуждает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Который, в свою очередь, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, возбуждает в этой обмотке ЭДС. Под действием этой ЭДС по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток.

Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключены потребители — вторичной.

Таким образом и происходит преобразование и распределение электрической энергии.

Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их размещают на магнитопроводе, собранным из отдельных листов электротехнической стали. Сами обмотки выполнены из изолированного провода.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток, трансформаторы могут быть стержневыми, броневыми и тороидальными.

Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки. Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали.

Магнитопровод броневого однофазного трансформатора имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений.

У тороидального трансформатора сердечник выполнен из стальной ленты в виде кольца. Благодаря своей форме, он имеет ряд преимуществ перед другими типами — более высокий КПД, улучшенные тепловые характеристики, что благоприятно влияет на охлаждение трансформатора, более компактные габариты.

Основные характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристикам трансформаторов относятся:

• Номинальная мощность
• Коэффициент трансформации
• Номинальный ток
• Напряжение короткого замыкания
• Ток холостого хода
• Коэффициент мощности
• Коэффициент полезного действия (КПД)

1. Номинальной мощностью трансформатора S называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной нагрузке. Напомню, что полная мощность состоит из активной и реактивной мощностей, при этом часть ее уходит на нагрев, часть на полезную работу (активная мощность), часть на создание электромагнитного поля. Подробнее об этом читайте в статье Как перевести мощность из кВА в кВт .

Измеряется номинальная мощность в вольт-амперах (ВА), или киловольт- амперах (кВА).

2. Коэффициент трансформации . Об этом мы уже говорили выше.

3. Номинальный ток . Это наибольшее допустимое значения тока в обмотках, при котором трансформатор может работать неограниченно долгое время.

4. Напряжение короткого замыкания . Это напряжение, которое нужно подать на одну из обмоток трансформатора, для того чтобы в цепи возник электрический ток. Данный показатель характеризует величину полного сопротивления трансформаторных обмоток. Зная величину напряжения К.З. можно определить возможность включения трансформаторов в параллельную работу.

5. Ток холостого хода . Это ток первичной обмотки трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке. Методика измерений, называемая опыт холостого хода, позволяет определить коэффициент трансформации, ток, потери и сопротивление холостого хода трансформатора.

6. Коэффициент мощности . Величина, равная отношению активной мощности, потребляемой электроприемником, к ее полной мощности. Определяется характером нагрузки (активная, реактивная), подключенной к его вторичной цепи. В случае отсутствия нагрузки, на холостом ходу, трансформатор имеет очень низкий коэффициент мощности, что неблагоприятно сказывается на работе источников переменного тока и электрических сетей.

7. Коэффициент полезного действия . Данная характеристика указывает на эффективность работы трансформатора и определяется отношением преобразованной активной мощности к потребляемой. Значение КПД трансформатора зависит от электрических и магнитных потерь энергии, которые неизбежны в процессе работы устройства.

Типы трансформаторов

Силовые трансформаторы — Данный вид трансформатора предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях , для питания различного электрооборудования, в осветительных цепях.

Автотрансформаторы — у данного типа трансформаторов обмотки соединены между собой гальванически. В основном автотрансформаторы применяются для изменения и регулировки напряжения.

Трансформаторы тока — трансформатор, созданный для понижения первичного тока до величины применяемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке на коэффициент трансформации.

Разделительные трансформаторы — имеют первичную обмотку, которая не связана электрически со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы служат для повышения безопасности в электросетях. Сигнальные разделительные трансформаторы предназначены для обеспечения гальванической развязки электрических цепей.

Импульсные трансформаторы — трансформатор, созданный для преобразования импульсных сигналов с продолжительностью импульса до 10-ов микросекунд с наименьшим искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электронного импульса (очень крутой фронт и срез, относительно неизменная амплитуда).

Пик-трансформаторы – трансформатор, преобразующий синусоидальное напряжение в импульсы пикообразной формы. Данный вид трансформаторов применяется для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми и электронными устройствами.

Источник