Как силовой трансформатор повышает или понижает напряжение?

Трансформаторы повышают или понижают переменное напряжение посредством электромагнитная индукция . Их выходное напряжение определяется в основном соотношением между числом витков первичной обмотки и числом витков вторичной обмотки.

Если у вторичной обмотки больше витков, чем у первичной, трансформатор повышает напряжение. Если у вторичной обмотки меньше витков, он понижает напряжение.

Хотя принцип прост, практический трансформатор также должен быть спроектирован с учётом требуемого тока, номинальной мощности, частоты, изоляции, роста температуры, КПД и применимых стандартов безопасности.

Что такое Трансформатор ?

Трансформатор — это пассивное электрическое устройство, передающее энергию между двумя или более обмотками посредством переменного магнитного поля.

Обычный разделительный трансформатор состоит из трёх основных частей:

• Первичная обмотка: подключённая к входному источнику питания
• Вторичная обмотка: подаваемое напряжение на нагрузку
• Магнитопровод: обеспечивает путь с низким магнитным сопротивлением для переменного магнитного потока

Первичная и вторичная обмотки, как правило, электрически изолированы друг от друга, но магнитно связаны через магнитопровод. Такая изоляция повышает электробезопасность и предотвращает прямое проводящее соединение между входом и выходом.

Однако не каждый трансформатор обеспечивает изоляцию. Например, автотрансформатор автотрансформатор использует общую обмотку и поэтому не обеспечивает такой же гальванической развязки.

Как работает трансформатор?

Принцип работы трансформатора основан на Законе электромагнитной индукции Фарадея изменяющийся магнитный поток через катушку индуцирует электродвижущую силу на этой катушке.

Этот процесс можно понять в три этапа.

1. Первичная обмотка создаёт магнитный поток

Когда переменное напряжение подаётся на первичную обмотку, возникает переменный ток. Этот ток создаёт изменяющийся магнитный поток в сердечнике трансформатора.

2. Сердечник обеспечивает связь магнитного потока

Магнитный сердечник направляет большую часть изменяющегося потока через обе обмотки. Материалы и методы изготовления сердечника выбираются так, чтобы обеспечить эффективную магнитную связь при одновременном ограничении потерь на вихревые токи и гистерезис.

3. Во вторичной обмотке возникает напряжение

Поскольку изменяющийся поток сердечника проходит через вторичную обмотку, он индуцирует напряжение на этой обмотке. Наведённое напряжение возрастает с увеличением числа витков вторичной обмотки.

Эта зависимость непосредственно следует из закона Фарадея и лежит в основе как повышающих, так и понижающих трансформаторов. OpenStax University Physics предоставляет подробный вывод уравнений трансформатора.

Трубы Трансформатор Формула соотношения витков

Для идеального трансформатора:

Vs / Vp = Ns / Np

Где:

• Vp = входное напряжение первичной обмотки
• Vs = выходное напряжение вторичной обмотки
• Np = количество витков в первичной обмотке
• Ns = количество витков во вторичной обмотке

Соотношение напряжений, таким образом, равно соотношению числа витков обмоток.

Трансформатор повышающего типа

Трансформатор повышает напряжение, когда:

Ns > Np

Следовательно:

Vs > Vp

Вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная обмотка, поэтому напряжение на вторичной обмотке выше, чем на первичной.

Трансформатор понижения напряжения

Трансформатор понижает напряжение, когда:

Ns < Np

Следовательно:

Vs < Vp

Вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная обмотка, поэтому напряжение на вторичной обмотке ниже, чем на первичной.

Изолирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1

Когда число витков первичной и вторичной обмоток приблизительно одинаково:

Ns = Np

Следовательно:

Vs ≈ Vp

Выходное напряжение приблизительно равно входному напряжению.

Практический пример понижающего трансформатора

Предположим, трансформатор должен преобразовать переменное напряжение 230 В в переменное напряжение 24 В.

Требуемое отношение числа витков:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Если первичная обмотка содержит 1000 витков:

Ns = 1000 × 0,104

Ns ≈ 104 витков

Следовательно, идеальная вторичная обмотка должна содержать приблизительно 104 витка.

На практике производитель может добавить витки во вторичной обмотке для компенсации сопротивления обмотки и падения напряжения под нагрузкой.

Пример практического повышающего трансформатора

Предположим, что трансформатор должен повысить напряжение с 120 В переменного тока до 240 В переменного тока.

Требуемое отношение числа витков:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Если первичная обмотка содержит 500 витков:

Ns = 500 × 2

Ns = 1 000 витков

Следовательно, вторичная обмотка требует примерно в два раза больше витков, чем первичная обмотка.

Что происходит с током?

Трансформатор изменяет ток в направлении, противоположном изменению напряжения.

Для идеального трансформатора входная мощность равна выходной мощности:

Vp × Ip = Vs × Is

Где:

• Vp = Напряжение первичной обмотки
• Ip = Ток первичной обмотки
• Vs = Напряжение вторичной обмотки
• Is = Ток вторичной обмотки

Соотношение токов равно:

Is / Ip = Np / Ns

Следовательно:

• Повышающий трансформатор: напряжение увеличивается, а доступный ток уменьшается.
• Понижающий трансформатор: напряжение уменьшается, а доступный ток увеличивается.

Трансформатор не создаёт дополнительную энергию. В реальном трансформаторе выходная мощность несколько ниже входной из-за потерь в обмотках, потерь в сердечнике и других потерь.

Почему низковольтная обмотка выполняется более толстым проводом?

Вторичная обмотка понижающего трансформатора обычно пропускает больший ток, чем первичная обмотка, поэтому для неё обычно требуется более толстый провод.

Размер проводника должен выбираться с учётом:

• RMS ток
• Допустимой плотности тока
• Температура обмотки
• Температура окружающей среды
• Цикл работы
• Условия охлаждения
• Толщина изоляции
• Доступного места для размещения обмотки

Использование слишком тонкого провода повышает сопротивление, падение напряжения, потери в меди и температуру обмотки. Избыточная температура может сократить срок службы изоляции и создать угрозу безопасности.

В повышающем трансформаторе обмотка с более высоким напряжением, как правило, выполняется из более тонкого провода с большим числом витков, поскольку по ней протекает меньший ток. Точный размер проводника по-прежнему требует инженерного расчёта.

Почему трансформаторы используются для передачи электроэнергии?

Для заданной передаваемой мощности повышение напряжения приводит к снижению тока:

I = P / V

Где:

• I = ток
• P = мощность
• V = напряжение

При увеличении напряжения ток, необходимый для передачи той же мощности, уменьшается.

Поскольку ток входит в это уравнение в квадрате, его снижение может значительно уменьшить нагрев проводников и потери при передаче.

Поэтому энергосистемы используют повышающие трансформаторы для увеличения напряжения генератора при передаче на большие расстояния. Вблизи места потребления понижающие трансформаторы снижают напряжение до подходящих уровней для распределения и использования. Министерство энергетики США также поясняет, что передача при высоком напряжении снижает требуемый ток и уменьшает потери в линиях. U.S. Department of Energy

Может ли трансформатор работать от постоянного тока?

Обычный трансформатор требует изменяющегося магнитного потока и поэтому не может непрерывно преобразовывать постоянное напряжение.

Если к обмотке стандартного трансформатора приложить постоянное напряжение:

• После начального переходного процесса непрерывного трансформаторного действия не происходит.
• Ток в обмотке может достичь опасно высокого значения.
• Сердечник может войти в режим насыщения.
• Обмотка может перегреться или выйти из строя.

Электронные источники питания могут преобразовывать постоянное напряжение, сначала переключая его с заданной частотой. Получающаяся переменная составляющая затем может питать высокочастотный трансформатор или связанный дроссель. Именно так работают многие обратноходовые, прямоходовые, двухтактные, полумостовые и мостовые преобразователи.

Важно понимать, что обычный трансформатор не преобразует постоянный ток напрямую — для этого постоянный ток сначала должен быть электронным способом преобразован в переменный.

Идеальные уравнения против реальной работы трансформатора

Уравнение коэффициента трансформации описывает идеальный трансформатор. Реальные трансформаторы имеют потери и падения напряжения.

Потери в меди

Резистивные потери мощности в проводнике определяются следующим образом:

Потери мощности = I² × R

Для обеспечения максимальной совместимости с WordPress это также можно записать как:

Потери мощности = I × I × R

Где:

• I = ток, протекающий через проводник
• R = сопротивление проводника

Поскольку ток возводится в квадрат при расчёте, уменьшение тока может значительно снизить потери в линии передачи.

Низкие потери в магнитопроводе

Переменное магнитное поле вызывает потери на гистерезис и вихревые токи в сердечнике. Потери в сердечнике зависят от:

• Материал сердечника
• Частота работы
• Прилагаемое напряжение
• Количество витков первичной обмотки
• Площадь поперечного сечения сердечника
• Плотность магнитного потока
• Толщина ламината

Поток рассеяния

Не весь магнитный поток замыкается через обе обмотки. Поток рассеяния влияет на регулирование напряжения и может вызывать электромагнитные помехи.

Ток без нагрузки

Даже при отсутствии нагрузки на вторичной обмотке первичная обмотка потребляет ток для намагничивания сердечника и компенсации потерь в сердечнике.

Повышение температуры

Потери в меди и в сердечнике приводят к нагреву. Трансформатор должен оставаться в пределах температурных ограничений своей системы изоляции при заданных нагрузке и условиях окружающей среды.

Регулирование напряжения

Выходное напряжение, как правило, снижается между режимами холостого хода и полной нагрузки из-за внутреннего импеданса.

Регулирование напряжения может быть выражено следующим образом:

Регулирование напряжения (%) = [(Uхх − Uн) / Uн] × 100

По этой причине производители могут проектировать напряжение вторичной обмотки в режиме холостого хода немного выше номинального выходного напряжения.

Влияет ли частота на проектирование трансформаторов?

Да. Частота является критически важным параметром проектирования.

Для синусоидальной формы сигнала приблизительное действующее напряжение на обмотке связано с частотой, числом витков, площадью поперечного сечения сердечника и максимальной магнитной индукцией следующим выражением:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Где:

• V = действующее напряжение на обмотке
• f = рабочая частота в герцах
• N = число витков обмотки
• A = эффективная площадь поперечного сечения сердечника
• Bmax = максимальная магнитная индукция

Трансформатор, рассчитанный на 60 Гц, не следует автоматически использовать при 50 Гц и том же напряжении. Более низкая частота может привести к увеличению магнитной индукции, что вызовет насыщение сердечника, чрезмерный ток, шум и перегрев.

Производитель должен знать фактическую частоту и диапазон входного напряжения до окончательного утверждения конструкции.

Как задать параметры повышающего или понижающего трансформатора

Профессиональная спецификация трансформатора должна включать не только входное и выходное напряжение.

При запросе разработки или коммерческого предложения предоставьте следующую информацию:

• Номинальное входное напряжение
• Минимальное и максимальное входное напряжение
• Частота входного сигнала
• Требуемое выходное напряжение или напряжения
• Непрерывный выходной ток
• Пиковый ток и его продолжительность
• Тип нагрузки
• Требуемая мощность в ВА
• Цикл работы
• Максимальные размеры
• Метод установки
• Требования к выводам или клеммам
• Температура окружающей среды
• Условия охлаждения и корпуса
• Максимально допустимое повышение температуры
• Класс изоляции
• Требования к электрической прочности
• Требования к электростатической или магнитной экранировке
• Требования к термопредохранителю или тепловому защитному устройству
• Страна или рынок назначения
• Применимые требования безопасности и охраны окружающей среды
• Расчётный объём производства

Предоставление полных условий эксплуатации помогает избежать ошибок при выборе номинала и улучшает стабилизацию напряжения, надёжность и срок службы.

Часто задаваемые вопросы

Повышает ли повышающий трансформатор мощность?

Нет. Повышающий трансформатор увеличивает напряжение, но снижает доступный ток. Его выходная мощность всегда несколько ниже входной мощности, поскольку реальный трансформатор имеет потери в обмотках (медные потери), в сердечнике и другие потери.

Всегда ли понижающий трансформатор обеспечивает больший ток?

Он может обеспечивать более высокий номинальный ток вторичной обмотки при примерно одинаковом уровне мощности, однако фактический ток определяется подключённой нагрузкой и номинальной мощностью трансформатора. Трансформатор не «принуждает» нагрузку потреблять свой максимальный ток.

Соединены ли первичная и вторичная обмотки?

В разделительном трансформаторе они электрически изолированы друг от друга и связаны посредством магнитного сердечника. В автотрансформаторе часть обмотки является общей, поэтому гальваническая изоляция отсутствует.

Может ли один трансформатор обеспечивать несколько выходных напряжений?

Да. Трансформатор может использовать несколько вторичных обмоток, обмотки с отводом от средней точки или отводы от обмотки для получения различных выходных напряжений.

Как рассчитать полную мощность трансформатора в вольт-амперах (VA)?

Для простого однофазного переменного тока с одной вторичной обмоткой:

VA = Vs × Is

Где:

• VA = номинальная полная мощность трансформатора
• Vs = номинальное напряжение вторичной обмотки
• Is = Номинальный вторичный ток

Пример:

Вторичное напряжение = 24 В переменного тока
Вторичный ток = 5 А

ВА = 24 × 5

ВА = 120 ВА

При наличии нескольких вторичных обмоток требуемая суммарная мощность в ВА рассчитывается на основе совокупной нагрузки обмоток с учётом типа нагрузки, цикла работы, КПД, стабильности выходного напряжения, выпрямления и нагрева.

Специальные повышающие и понижающие трансформаторы от Dingxin

Dingxin производит специальные трансформаторы, включая решения для трансформаторов, предназначенные для заказчиков и оборудования, предназначенного для европейского рынка.

Разработка трансформаторов возможна в соответствии с заданными электрическими, механическими, тепловыми и эксплуатационными требованиями, в том числе:

• Специальные входные и выходные напряжения
• Конструкции с повышением и понижением напряжения
• Несколько вторичных обмоток
• Конструкции типа EI и тороидальные
• применение при частоте 50 Гц и 60 Гц
• Индивидуальные номинальные мощности в ВА
• Выводы, клеммы, кронштейны и варианты крепления
• Электростатическое экранирование
• Термопредохранители и тепловые защитные устройства
• Системы изоляции, разработанные под конкретное применение
• Конструкции, основанные на требованиях целевого рынка заказчика

Окончательные требования к соответствию и сертификации должны быть подтверждены на этапе проектирования с учётом конструкции трансформатора, предполагаемого оборудования и рынка назначения.

Закажите индивидуальный трансформатор

Вам нужен трансформатор с определённым коэффициентом трансформации, номинальной мощностью, габаритными размерами, температурным пределом или способом монтажа?

Направьте компании Dingxin следующую информацию:

1. Входное напряжение и частота
2. Требуемое выходное напряжение и ток
3. Условия непрерывной и пиковой нагрузки
4. Максимальные размеры
5. Требования к монтажу и подключению
6. Температура работы
7. Целевой рынок и требования к соответствию нормативам
8. Примерный объем заказа

Свяжитесь с Dingxin уже сегодня, чтобы запросить технический анализ, разработку индивидуального трансформатора, образец или коммерческое предложение.