Как трансформаторът повишава или понижава напрежението?

Трансформаторите увеличават или намаляват променливото напрежение чрез електромагнитна индукция . Изходното им напрежение се определя предимно от съотношението между броя на навивките в първичната и вторичната намотка.

Ако вторичната намотка има повече навивки от първичната, трансформаторът повишава напрежението. Ако вторичната намотка има по-малко навивки, той намалява напрежението.

Въпреки че принципът е прост, практическият трансформатор трябва да бъде проектиран и за необходимия ток, мощност, честота, изолация, повишаване на температурата, ефективност и приложимите стандарти за безопасност.

Какво е Трансформатор ?

Трансформаторът е пасивно електрическо устройство, което прехвърля енергия между две или повече намотки чрез променливо магнитно поле.

Конвенционален изолационен трансформатор съдържа три основни части:

• Първична намотка: свързана към входния източник на електрозахранване
• Вторична намотка: подава напрежение към натоварването
• Магнитно ядро: осигурява път с ниско магнитно съпротивление за променливия магнитен поток

Първичната и вторичната намотки обикновено са електрически изолирани, но магнитно свързани чрез сърцевината. Тази изолация може да подобри електрическата безопасност и да предотврати директна проводима връзка между входа и изхода.

Обаче не всеки трансформатор осигурява изолация. Един автотрансформатор автотрансформатор, например, използва обща намотка и следователно не осигурява същото галванично разделяне.

Как работи трансформаторът?

Работата на трансформатора се основава на Закона на Фарадей за електромагнитна индукция . Променящият се магнитен поток през намотка индуцира електродвижеща сила в тази намотка.

Процесът може да се разбере в три етапа.

1. Първичната намотка произвежда магнитен поток

Когато към първичната намотка се приложи променливо напрежение, това води до възникване на променлив ток. Този ток създава променящ се магнитен поток в сърцевината на трансформатора.

2. Сърцевината свързва магнитния поток

Магнитната сърцевина насочва по-голямата част от променящия се поток през двете намотки. Материалите и методите за изготвяне на сърцевината се избират така, че да осигуряват ефективно магнитно свързване, като при това се ограничават загубите от вихрови токове и хистерезис.

3. Вторичната намотка генерира напрежение

Тъй като променящият се магнитен поток преминава през вторичната намотка, той индуцира напрежение в тази намотка. Индуцираното напрежение нараства с броя на вторичните навивки.

Тази зависимост следва директно от закона на Фарадей и лежи в основата както на трансформаторите за повишаване, така и на трансформаторите за понижаване. OpenStax University Physics предоставя подробно извеждане на уравненията за трансформатори.

The Трансформатор Формула за съотношение на навивките

За идеален трансформатор:

Vs / Vp = Ns / Np

Където:

• Vp = входно напрежение на първичната намотка
• Vs = изходно напрежение на вторичната намотка
• Np = брой навивки в първичната намотка
• Ns = Брой навивки на вторичната намотка

Следователно, напрежението се отнася така, както се отнасят броят навивки.

Трансформатор за повишаване на напрежението

Трансформаторът повишава напрежението, когато:

Ns > Np

Следователно:

Vs > Vp

Вторичната намотка има повече навивки от първичната намотка, следователно вторичното напрежение е по-високо от първичното напрежение.

Трансформатор за намаляване на напрежението

Трансформаторът понижава напрежението, когато:

Ns < Np

Следователно:

Vs < Vp

Вторичната намотка има по-малко навивки от първичната намотка, следователно вторичното напрежение е по-ниско от първичното напрежение.

Трансформатор с едно към едно изолация

Когато първичната и вторичната намотки имат приблизително еднакъв брой навивки:

Ns = Np

Следователно:

Vs ≈ Vp

Изходното напрежение е приблизително равно на входното напрежение.

Практичен пример за трансформатор за намаляване на напрежението

Да предположим, че един трансформатор трябва да преобразува 230 V променлив ток в 24 V променлив ток.

Необходимото съотношение на навивките е:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Ако първичната намотка има 1000 навивки:

Ns = 1000 × 0,104

Ns ≈ 104 навивки

Следователно идеалната вторична намотка би имала приблизително 104 навивки.

При практически трансформатор производителят може да добави допълнителни навивки към вторичната намотка, за да компенсира съпротивлението на намотките и спада на напрежението под товар.

Практичен пример за трансформатор с повишаване на напрежението

Да предположим, че един трансформатор трябва да увеличи напрежението от 120 V променлив ток до 240 V променлив ток.

Необходимото съотношение на навивките е:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Ако първичната намотка има 500 навивки:

Ns = 500 × 2

Ns = 1 000 навивки

Следователно вторичната намотка изисква приблизително два пъти повече навивки от първичната.

Какво се случва с тока?

Трансформаторът променя тока в обратна посока спрямо напрежението.

За идеален трансформатор входната мощност е равна на изходната мощност:

Vp × Ip = Vs × Is

Където:

• Vp = Първично напрежение
• Ip = Първичен ток
• Vs = Вторичното напрежение
• Is = Вторичният ток

Токовото съотношение е:

Is / Ip = Np / Ns

Следователно:

• Трансформатор с повишаване на напрежението: напрежението се увеличава, а достъпният ток намалява.
• Трансформатор с намаляване на напрежението: напрежението намалява, а достъпният ток се увеличава.

Трансформаторът не създава допълнителна енергия. При реален трансформатор изходната мощност е малко по-ниска от входната поради загуби в медта, загуби в сърцевината и други загуби.

Защо нисконапрежението намотка използва по-дебел проводник?

Вторичната намотка на трансформатор с намаляване на напрежението обикновено пропуска по-голям ток от първичната намотка. Затова обикновено изисква по-дебел проводник.

Размерът на проводника трябва да се избира според:

• Средноквадратичен ток
• Допустима плътност на тока
• Температура на намотката
• Температура на околната среда
• Дюти цикл
• Условия за охлаждане
• Дебелина на изолацията
• Налично пространство за намотка

Използването на прекалено тънък проводник увеличава съпротивлението, пада на напрежението, медените загуби и температурата на намотката. Прекомерната температура може да намали срока на експлоатация на изолацията и да създаде риск за безопасност.

В трансформатор с повишаване на напрежението намотката с по-високо напрежение обикновено използва повече навивки от по-тънък проводник, тъй като пренася по-малък ток. Точният размер на проводника все още изисква инженерен пресмятане.

Защо се използват трансформатори за пренос на електроенергия?

При дадена предавана мощност увеличаването на напрежението намалява тока:

I = P / V

Където:

• I = Ток
• P = Мощност
• V = Напрежение

Когато напрежението се увеличава, токът, необходим за предаване на една и съща мощност, намалява.

Тъй като токът е повдигнат на квадрат в това уравнение, намаляването на тока може значително да намали загряването на проводниците и загубите при предаване.

Затова енергосистемите използват трансформатори за повишаване, за да увеличат генерираното напрежение за предаване на дълги разстояния. В близост до мястото на употреба трансформаторите за понижаване намаляват напрежението до подходящи нива за разпределение и използване. Министерството на енергетиката на САЩ пояснява по подобен начин, че предаването при високо напрежение намалява необходимия ток и намалява загубите по линиите. U.S. Department of Energy

Може ли трансформаторът да работи с постояннотокови (DC) сигнали?

Обикновеният трансформатор изисква променлив магнитен поток и затова не може непрекъснато да трансформира постоянно напрежение (DC).

Ако към обичайната намотка на трансформатор се приложи постоянно напрежение (DC):

• След първоначалния преходен процес няма непрекъснато трансформаторно действие.
• Токът в намотката може да стане опасно висок.
• Сърцевината може да се насити.
• Навивката може да претърпи прегряване или повреда.

Електронните захранващи устройства могат да преобразуват постояннотоково напрежение, като първо го превключват с контролирана честота. Получената променлива вълна след това може да задвижи високочестотен трансформатор или свързан индуктор. По този начин работят много импулсни преобразуватели от тип flyback, forward, push-pull, half-bridge и full-bridge.

Важното различие е, че конвенционален трансформатор не преобразува директно постоянно напрежение (DC); постоянното напрежение трябва първо да бъде електронно превключено.

Идеални уравнения срещу реална производителност на трансформатора

Уравнението за съотношение на навивките описва идеален трансформатор. Реалните трансформатори имат загуби и падове на напрежение.

Медни загуби

Резистивната загуба на мощност в проводник е:

Загуба на мощност = I² × R

За максимална съвместимост с WordPress това също може да се запише като:

Загуба на мощност = I × I × R

Където:

• I = Ток, протичащ през проводника
• R = Съпротивление на проводника

Тъй като токът е повдигнат на квадрат в това изчисление, намаляването на тока може значително да намали загубите по предавателните линии.

Ядрени загуби

Променливо магнитно поле предизвиква загуби от хистерезис и вихрови токове в сърцевината. Загубите в сърцевината се влияят от:

• Материал на ядрото
• Оперативна честота
• Приложено напрежение
• Брой навивки на първичната намотка
• Площ на напречното сечение на сърцевината
• Плътност на магнитния поток
• Дебелина на ламинирането

Разсейващ магнитен поток

Не целият магнитен поток свързва и двете намотки. Разсейващият магнитен поток влияе върху регулирането на напрежението и може да предизвика електромагнитни смущения.

Ток на празен ход

Дори при липса на товар във вторичната намотка първичната намотка потребява ток за намагнетизиране на сърцевината и за компенсиране на загубите в нея.

Повишаване на температурата

Медните и основните загуби генерират топлина. Трансформаторът трябва да остане в температурните граници на своята изолационна система при посочената товарна и околна среда.

Регулиране на напрежението

Изходното напрежение обикновено намалява между състоянията без товар и пълен товар поради вътрешното импедансно съпротивление.

Регулацията на напрежението може да се изрази като:

Регулация на напрежението (%) = [(Vбез_товар − Vпълен_товар) / Vпълен_товар] × 100

Поради тази причина производителите могат да проектират вторичното напрежение при състояние без товар леко по-високо от номиналното изходно напрежение.

Влияе ли честотата върху конструкцията на трансформатора?

Да. Честотата е критичен проектен параметър.

За синусоидална форма на вълната приблизителното RMS напрежение на всяка намотка е свързано с честотата, броя на навивките, площта на ядрото и максималната плътност на магнитния поток чрез следната формула:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Където:

• V = RMS напрежение на намотката
• f = Работна честота в херцове
• N = Брой навивки на намотката
• A = Ефективна напречна площ на сърцевината
• Bmax = Максимална магнитна индукция

Трансформатор за 60 Hz не трябва автоматично да се използва при 50 Hz при същото напрежение. По-ниската честота може да увеличи магнитната индукция, което води до наситяване на сърцевината, излишни токове, шум и прегряване.

Производителят трябва да знае действителния входен диапазон от честота и напрежение, преди да завърши проекта.

Как да определите повишаващ или понижаващ трансформатор

Профессионалната спецификация за трансформатор трябва да включва повече от входното и изходното напрежение.

Предоставете следната информация при заявка за проект или оферта:

• Номинално входно напрежение
• Минимално и максимално входно напрежение
• Входна честота
• Изисквано изходно напрежение или напрежения
• Непрекъснат ток на изхода
• Максимален ток и продължителност
• Тип на товар
• Изисквана мощност в VA
• Дюти цикл
• Максимални размери
• Метод на монтиране
• Изисквания за водачи или клеми
• Температура на околната среда
• Условия за охлаждане и корпус
• Максимално разрешено повишаване на температурата
• Клас на изолация
• Изисквания за диелектрична якост
• Изисквания за електростатично или магнитно екраниране
• Изисквания за термичен предпазител или термичен защитник
• Целева страна или пазар
• Приложими изисквания за безопасност и околната среда
• Очаквано количество за производство

Предоставянето на пълни работни условия помага да се предотврати неправилното измерване и подобрява регулирането на напрежението, надеждността и срока на експлоатация.

Често задавани въпроси

Увеличава ли трансформаторът за повишаване мощността?

Не. Трансформаторът за повишаване увеличава напрежението, но намалява наличния ток. Изходната му мощност винаги е малко по-ниска от входната мощност, тъй като реалният трансформатор има загуби в медта, ядрото и други загуби.

Винаги ли трансформаторът за понижаване осигурява по-голям ток?

Той може да осигури по-висок номинален вторичен ток при приблизително също ниво на мощност, но действителният ток се определя от свързаната натоварка и номиналната мощност на трансформатора. Трансформаторът не „насилва“ максималния си ток към натоварката.

Свързани ли са първичната и вторичната намотки?

При изолационен трансформатор те са електрически отделени и свързани чрез магнитното ядро. При автотрансформатор част от намотката се споделя, поради което няма еквивалентна галванична изолация.

Може ли един трансформатор да осигурява няколко изходни напрежения?

Да. Трансформаторът може да използва няколко вторични намотки, централно свързани намотки или отводи от намотките, за да осигурява различни изходни напрежения.

Как се изчислява волтамперната мощност (VA) на трансформатора?

За прост AC трансформатор с една вторична намотка:

VA = Vs × Is

Където:

• VA = номинална видима мощност на трансформатора
• Vs = номинално вторично напрежение
• Is = номинален вторичен ток

Пример:

Вторично напрежение = 24 V AC
Вторичен ток = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

За множество вторични намотки необходимата обща мощност във волтампери се изчислява въз основа на сумарните натоварвания на намотките, като се вземат предвид типа натоварване, работния цикъл, ефективността, регулирането, преобразуването и температурното повишаване.

Персонализирани трансформатори за повишаване и понижаване от Dingxin

Dingxin произвежда персонализирани трансформатори, включително трансформаторни решения за клиенти и оборудване, предназначено за европейския пазар.

Трансформаторите могат да бъдат разработени според зададени електрически, механични, термични и приложни изисквания, включително:

• Персонализирани входни и изходни напрежения
• Дизайни за повишаване и понижаване на напрежението
• Множество вторични намотки
• Конструкции тип EI и торoidal
• приложения за 50 Hz и 60 Hz
• Персонализирани номинални мощности (VA)
• Водници, терминали, скоби и опции за монтиране
• Електростатично екраниране
• Топлинни предпазители и топлинни защитни устройства
• Изолационни системи, специфични за приложението
• Проекти, базирани на изискванията на целевия пазар на клиента

Окончателните изисквания за съответствие и сертифициране трябва да бъдат потвърдени по време на инженерния процес според проекта на трансформатора, предназначеното оборудване и пазара на дестинация.

Заявете персонализиран проект на трансформатор

Нуждаете ли се от трансформатор с конкретно напрежение, номинална мощност, размер, температурен лимит или метод на инсталиране?

Изпратете на Dingxin следната информация:

1. Входно напрежение и честота
2. Изисквано изходно напрежение и ток
3. Условия за непрекъснато и върхово натоварване
4. Максимални размери
5. Изисквания за монтиране и свързване
6. Работна температура
7. Целеви пазар и изисквания за съответствие
8. Ориентирована поръчкова количество

Свържете се с Dingxin днес, за да поискате технически преглед, персонализиран дизайн на трансформатор, пробен екземпляр или оферта.