Як трансформатор змінює напругу — підвищує або знижує її?

Трансформатори підвищують або знижують змінну напругу за допомогою електромагнітна індукція . Їх вихідна напруга визначається переважно співвідношенням між кількістю витків у первинній обмотці та кількістю витків у вторинній обмотці.

Якщо вторинна обмотка має більше витків, ніж первинна, трансформатор підвищує напругу. Якщо вторинна обмотка має менше витків, він знижує напругу.

Хоча принцип простий, практичний трансформатор також має бути розрахованим на потрібний струм, потужність, частоту, ізоляцію, підвищення температури, ефективність та чинні стандарти безпеки.

Що таке Трансформатор ?

Трансформатор — це пасивний електричний пристрій, який передає енергію між двома або більше обмотками за допомогою змінного магнітного поля.

Звичайний ізоляційний трансформатор містить три основні частини:

• Первинна обмотка: підключена до вхідного джерела живлення
• Вторинна обмотка: подавання напруги на навантаження
• Магнітопровід: забезпечує шлях з низьким магнітним опором для змінного магнітного потоку

Первинна та вторинна обмотки зазвичай електрично ізольовані одна від одної, але магнітно зв’язані через осердя. Ця ізоляція може підвищити електробезпеку й запобігти безпосередньому провідниковому зв’язку між вхідним і вихідним колами.

Однак не кожен трансформатор забезпечує ізоляцію. Наприклад, аВТОТРАНСФОРМАТОР автотрансформатор використовує спільну обмотку й тому не забезпечує такої гальванічної розділеності.

Як працює трансформатор?

Принцип роботи трансформатора ґрунтується на Законі електромагнітної індукції Фарадея змінний магнітний потік крізь котушку індукує електрорушійну силу на цій котушці.

Цей процес можна зрозуміти в три етапи.

1. Первинарна обмотка створює магнітний потік

Коли змінна напруга подається на первинну обмотку, вона створює змінний струм. Цей струм утворює змінний магнітний потік у серцевині трансформатора.

2. Серцевина зв’язує магнітний потік

Магнітна серцевина спрямовує більшу частину змінного потоку через обидві обмотки. Матеріали серцевини та методи її виготовлення підбирають так, щоб забезпечити ефективне магнітне зв’язування й одночасно обмежити втрати на вихрові струми та гістерезис.

3. Вторинна обмотка створює напругу

Оскільки змінний потік серцевини проходить через вторинну обмотку, він індукує напругу на цій обмотці. Індукована напруга зростає з кількістю витків вторинної обмотки.

Ця залежність безпосередньо випливає із закону Фарадея й лежить в основі як підвищувальних, так і понижувальних трансформаторів. OpenStax University Physics наводить детальне виведення рівнянь трансформатора.

The Трансформатор Формула співвідношення витків

Для ідеального трансформатора:

Vs / Vp = Ns / Np

Де:

• Vp = первинна вхідна напруга
• Vs = вторинна вихідна напруга
• Np = кількість витків у первинній обмотці
• Ns = кількість витків у вторинній обмотці

Співвідношення напруг, отже, дорівнює співвідношенню кількості витків обмоток.

Трансформатор підвищення напруги

Трансформатор підвищує напругу, коли:

Ns > Np

Тому:

Vs > Vp

Вторинна обмотка має більше витків, ніж первинна обмотка, тому напруга на вторинній обмотці вища, ніж на первинній.

Трансформатор пониження напруги

Трансформатор знижує напругу, коли:

Ns < Np

Тому:

Vs < Vp

Вторинна обмотка має менше витків, ніж первинна обмотка, тому напруга на вторинній обмотці нижча, ніж на первинній.

Ізоляційний трансформатор з коефіцієнтом 1:1

Коли первинна та вторинна обмотки мають приблизно однакову кількість витків:

Ns = Np

Тому:

Vs ≈ Vp

Вихідна напруга приблизно дорівнює вхідній напрузі.

Практичний приклад знижувального трансформатора

Припустимо, що трансформатор має перетворити змінну напругу 230 В у змінну напругу 24 В.

Необхідне співвідношення витків таке:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Якщо первинна обмотка має 1 000 витків:

Ns = 1 000 × 0,104

Ns ≈ 104 витків

Отже, ідеальна вторинна обмотка матиме приблизно 104 витків.

У практичному трансформаторі виробник може додати витків у вторинній обмотці, щоб компенсувати опір обмотки й падіння напруги під навантаженням.

Приклад практичного підвищувального трансформатора

Припустімо, що трансформатор має підвищити напругу з 120 В змінного струму до 240 В змінного струму.

Необхідне співвідношення витків таке:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Якщо первинна обмотка має 500 витків:

Ns = 500 × 2

Ns = 1 000 витків

Отже, вторинна обмотка потребує приблизно вдвічі більше витків, ніж первинна обмотка.

Що відбувається зі струмом?

Трансформатор змінює струм у напрямку, протилежному до напруги.

Для ідеального трансформатора вхідна потужність дорівнює вихідній потужності:

Vp × Ip = Vs × Is

Де:

• Vp = первинна напруга
• Ip = первинний струм
• Vs = вторинна напруга
• Is = вторинний струм

Співвідношення струмів є:

Is / Ip = Np / Ns

Тому:

• Трансформатор підвищення напруги: напруга збільшується, а доступний струм зменшується.
• Трансформатор зниження напруги: напруга зменшується, а доступний струм збільшується.

Трансформатор не створює додаткової енергії. У реальному трансформаторі вихідна потужність трохи нижча за вхідну через втрати в міді, втрати в осерді та інші втрати.

Чому низьковольтна обмотка виконується товстішим дротом?

У трансформатора зниження напруги вторинна обмотка зазвичай пропускає більший струм, ніж первинна. Тому для неї зазвичай потрібен товстіший дріт.

Розмір провідника має вибиратися з урахуванням:

• Теч RMS
• Допустимої густини струму
• Температура обмотки
• Температура навколишнього середовища
• Коефіцієнт заповнення
• Умов охолодження
• Товщина ізоляції
• Доступного простору для обмоток

Використання занадто тонкого дроту збільшує опір, падіння напруги, втрати в міді та температуру обмотки. Надмірна температура може скоротити термін служби ізоляції й створити небезпеку для безпеки.

У підвищувальному трансформаторі обмотка з вищою напругою зазвичай має більше витків тоншого дроту, оскільки через неї проходить менший струм. Точний розмір провідника все ще вимагає інженерного розрахунку.

Чому трансформатори використовують для передачі електроенергії?

Для заданої передаваної потужності підвищення напруги зменшує струм:

I = P / V

Де:

• I = струм
• P = потужність
• V = напруга

Під час підвищення напруги струм, необхідний для передачі тієї самої потужності, зменшується.

Оскільки струм у цьому рівнянні зведено до квадрату, його зменшення може значно знизити нагрівання провідників і втрати при передачі.

Тому в енергосистемах використовують підвищувальні трансформатори для збільшення напруги генератора під час передачі на великі відстані. Поблизу місця споживання знижувальні трансформатори зменшують напругу до рівнів, придатних для розподілу та використання. Міністерство енергетики США також пояснює, що передача на високій напрузі зменшує необхідну силу струму й знижує втрати в лініях. U.S. Department of Energy

Чи може трансформатор працювати на постійному струмі?

Звичайний трансформатор потребує змінного магнітного потоку й тому не може безперервно перетворювати постійну напругу.

Якщо до звичайної обмотки трансформатора безпосередньо прикласти постійну напругу:

• Після початкового перехідного процесу безперервна трансформація не відбувається.
• Сила струму в обмотці може досягти небезпечних значень.
• Магнітопровід може насититися.
• Обмотка може перегрітися або вийти з ладу.

Електронні джерела живлення можуть перетворювати постійну напругу, спочатку перемикаючи її з керованою частотою. Отримана змінна хвиля потім може живити високочастотний трансформатор або зв’язаний індуктивний елемент. Саме так працюють багато перетворювачів типу flyback, forward, push-pull, half-bridge та full-bridge.

Важлива відмінність полягає в тому, що звичайний трансформатор безпосередньо не перетворює постійний струм; спочатку постійний струм має бути електронно перемикнуто.

Ідеальні рівняння проти реальної роботи трансформатора

Рівняння співвідношення витків описує ідеальний трансформатор. У реальних трансформаторів є втрати й падіння напруги.

Втрати в міді

Резистивні втрати потужності в провіднику такі:

Втрати потужності = I² × R

Для максимальної сумісності з WordPress це також можна записати як:

Втрати потужності = I × I × R

Де:

• I = струм, що проходить через провідник
• R = опір провідника

Оскільки струм у цьому розрахунку зводиться до квадрату, зменшення струму може значно зменшити втрати в лінії передачі.

Втрати в сердечнику

Змінне магнітне поле викликає втрати на гістерезис та вихрові струми в осерді. Втрати в осерді залежать від:

• Матеріал сердечника
• Робоча частота
• Прикладена напруга
• Кількості витків первинної обмотки
• Площі поперечного перерізу осердя
• Густина магнітного потоку
• Товщина ламінації

Розсіяного магнітного потоку

Не весь магнітний потік зв’язує обидві обмотки. Розсіяний магнітний потік впливає на регулювання напруги й може викликати електромагнітні перешкоди.

Холостий струм

Навіть за відсутності навантаження на вторинній стороні первинна обмотка споживає струм для намагнічення осердя й компенсації втрат у ньому.

Підвищення температури

Втрати в міді й у осерді призводять до нагрівання. Трансформатор має залишатися в межах температурних обмежень своєї ізоляційної системи за заданих навантаження й навколишніх умов.

Регулювання напруги

Вихідна напруга зазвичай знижується між режимами холостого ходу й повного навантаження через внутрішній імпеданс.

Регулювання напруги можна виразити так:

Регулювання напруги (%) = [(Vхолостий_хід − Vповне_навантаження) / Vповне_навантаження] × 100

З цієї причини виробники можуть проектувати вторинну напругу холостого ходу трохи вищою за номінальну вихідну напругу.

Чи впливає частота на проектування трансформатора?

Так. Частота є критичним параметром проектування.

Для синусоїдальної форми сигналу наближена середньоквадратична напруга на обмотці пов’язана з частотою, кількістю витків, площею перерізу осердя та максимальною густиною магнітного потоку таким чином:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Де:

• V = середньоквадратична напруга на обмотці
• f = робоча частота у герцах
• N = кількість витків обмотки
• A = Ефективна площа поперечного перерізу осердя
• Bmax = Максимальна щільність магнітного потоку

Трансформатор на 60 Гц не слід автоматично експлуатувати на 50 Гц при тій самій напрузі. Зниження частоти може збільшити щільність магнітного потоку, що призведе до насичення осердя, надмірного струму, шуму та перегріву.

Виробник має знати фактичну вхідну частоту й діапазон напруги до остаточного узгодження конструкції.

Як вказати підвищувальний або знижувальний трансформатор

Професійна специфікація трансформатора повинна містити більше, ніж лише вхідну й вихідну напругу.

Надавайте таку інформацію, коли замовляєте розробку або комерційну пропозицію:

• Номінальне входове напруга
• Мінімальна та максимальна вхідна напруга
• Вхідна частота
• Необхідна вихідна напруга або напруги
• Постійний вихідний струм
• Піковий струм і тривалість
• Тип Навантаження
• Необхідний номінальний струм у вольт-амперах
• Коефіцієнт заповнення
• Максимальні розміри
• Метод монтажу
• Вимоги до виводів або клем
• Температура навколишнього середовища
• Умови охолодження та корпусу
• Максимальне дозволене підвищення температури
• Клас ізоляції
• Вимоги до діелектричної міцності
• Необхідне електростатичне або магнітне екранування
• Вимоги до термічного запобіжника або термозахисту
• Країна або ринок призначення
• Застосовні вимоги щодо безпеки та навколишнього середовища
• Орієнтовний обсяг виробництва

Надання повних умов експлуатації допомагає уникнути неправильного підбору розмірів і покращує регулювання напруги, надійність та строк служби.

Поширені запитання

Чи підвищує підвищувальний трансформатор потужність?

Ні. Підвищувальний трансформатор підвищує напругу, але зменшує доступний струм. Його вихідна потужність завжди трохи нижча за вхідну потужність, оскільки реальний трансформатор має втрати в міді, осерді та інші втрати.

Чи завжди понижувальний трансформатор забезпечує більший струм?

Він може забезпечити вищий номінальний вторинний струм при приблизно однаковому рівні потужності, але фактичний струм визначається підключеним навантаженням та номінальною потужністю трансформатора. Трансформатор не «примушує» навантаження споживати свій максимальний струм.

Чи з’єднані первинна та вторинна обмотки?

У ізоляційному трансформаторі вони електрично розділені й зв’язані через магнітне осердя. У автотрансформаторі частина обмотки є спільною, тому гальванічна ізоляція відсутня.

Чи може один трансформатор забезпечувати кілька вихідних напруг?

Так. Трансформатор може використовувати кілька вторинних обмоток, обмотки з центральним відводом або відводи від обмотки для забезпечення різних вихідних напруг.

Як обчислити потужність трансформатора у вольт-амперах?

Для простого змінного струму трансформатора з одним вторинним обмоткою:

ВА = Vs × Is

Де:

• ВА = номінальна повна потужність трансформатора
• Vs = номінальна вторинна напруга
• Is = номінальний вторинний струм

Приклад:

Вторинна напруга = 24 В змінного струму
Вторинний струм = 5 А

ВА = 24 × 5

ВА = 120 ВА

Для кількох вторинних обмоток необхідна загальна потужність у ВА розраховується з урахуванням сумарного навантаження всіх обмоток із належним урахуванням типу навантаження, циклу роботи, ККД, стабільності напруги, випрямлення та підвищення температури.

Індивідуальні підвищувальні та понижувальні трансформатори від Dingxin

Dingxin виробляє індивідуальні трансформатори, у тому числі рішення з трансформаторів для клієнтів та обладнання, призначеного для європейського ринку.

Трансформатори можуть бути розроблені відповідно до заданих електричних, механічних, теплових та застосувальних вимог, у тому числі:

• Індивідуальні вхідні та вихідні напруги
• Підвищувальні та понижувальні конструкції
• Кілька вторинних обмоток
• Конструкції типу EI та тороїдальні
• застосування на частотах 50 Гц та 60 Гц
• Індивідуальні номінальні потужності у ВА
• Ведучі дроти, клеми, кронштейни та варіанти кріплення
• Електростатичне екранування
• Термічні запобіжники та термозахисні пристрої
• Ізоляційні системи, розроблені для конкретних застосувань
• Конструкції, розроблені з урахуванням вимог цільового ринку замовника

Остаточні вимоги щодо відповідності та сертифікації слід підтвердити під час інженерного процесу залежно від конструкції трансформатора, призначеного обладнання та ринку призначення.

Замовити індивідуальну конструкцію трансформатора

Потрібен трансформатор із певним коефіцієнтом трансформації напруги, номінальною потужністю, розмірами, граничною температурою або методом встановлення?

Надішліть компанії Dingxin таку інформацію:

1. Вхідна напруга та частота
2. Необхідні вихідна напруга та струм
3. Умови тривалого та пікового навантаження
4. Максимальні розміри
5. Вимоги до монтажу та підключення
6. Робоча температура
7. Цільовий ринок та вимоги щодо відповідності
8. Орієнтовний обсяг замовлення

Зв’яжіться з Dingxin уже сьогодні, щоб замовити технічний огляд, індивідуальний дизайн трансформатора, зразок або комерційну пропозицію.