Пока что мы моделировали трансформаторы, в которых первичная и вторичная обмотки имели одинаковую индуктивность, что давало примерно равные уровни напряжения и тока в обеих цепях. Однако равенство напряжения и тока между первичной и вторичной сторонами трансформатора не является нормой для всех трансформаторов.
Если индуктивности двух обмоток не равны, происходит кое-что интересное:
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
Первичная обмотка
freq
v(3,5)
i(vi1)
6.000E+01
9.962E-01
9.962E-04
Вторичная обмотка
Обратите внимание, что вторичное напряжение примерно в десять раз меньше первичного (0,9962 вольт по сравнению с 10 вольт), а вторичный ток примерно в десять раз больше (0,9962 мА по сравнению с 0,09975 мА).
То, что здесь у нас устройство, в котором от первичной обмотки к вторичной напряжение уменьшается в десять раз, а ток увеличивается в десять раз:
Рис. 1. Коэффициент трансформации 10:1 даёт соотношение первичного напряжения ко вторичному 10:1 и соотношение первичного тока ко вторичному 1:10.
Что такое повышающие и понижающие трансформаторы?
Это и впрямь очень полезное устройство. С его помощью можно легко приумножить или разделить напряжение и ток в цепях переменного тока. Действительно, именно трансформаторы сделали передачу электроэнергии на большие расстояния реальностью, поскольку напряжение переменного тока может быть «повышено», а ток «понижен» для снижения потерь мощности с учётом сопротивления проводов вдоль линий электропередач, соединяющих генерирующие станции с нагрузками.
На конечных точках (как на генераторе, так и на нагрузках) уровни напряжения снижаются трансформаторами, что, во-первых, способствует безопасности, а во-вторых, позволяет использовать менее дорогостоящее оборудование.
Трансформатор, который увеличивает напряжение от первичной обмотки к вторичной (это возможно, если на вторичной обмотке больше витков, чем на первичной), называется повышающим трансформатором.
Напротив, трансформатор, предназначенный для прямо противоположной работы (уменьшение напряжения от первичной обмотки к вторичной, что достигается за счёт того, что на первичной обмотке больше витков, чем на вторичной), называется понижающим трансформатором.
Давайте еще раз взглянем на фотографию, показанную в предыдущем разделе:
Рис. 2. Поперечное сечение трансформатора, показывающее первичную и вторичную обмотки, составляет несколько дюймов (приблизительно 10 см).
Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое количество витков первичной обмотки и малое количество витков вторичной обмотки. В качестве понижающего блока этот трансформатор преобразует низковольтную слаботочную мощность в низковольтную сильноточную мощность.
Провод большего сечения, используемый во вторичной обмотке, необходим из-за увеличения тока. Первичная обмотка, в которой ток не настолько большой, может быть выполнена из провода меньшего сечения.
Обратимость работы трансформатора
Сам собой напрашивается вопрос, можно ли трансформатор любого типа заставить работать в «обратную сторону» (подключить питание к вторичной обмотке, а первичную обмотку совместить с нагрузкой) для выполнения противоположной функции: чтобы повышать (если до этого понижал) или наоборот.
Однако, как мы увидели в предыдущем разделе этой главы, эффективная работа трансформатора предполагает, чтобы индуктивности отдельных обмоток проектируются для конкретных рабочих диапазонов напряжения и тока, поэтому, если трансформатор будет использоваться «задом-наперёд», то разве что в пределах исходных проектных параметров напряжения и тока для каждой обмотки, иначе должного эффекта не будет (также не следует забывать, что нерасчётное напряжение или ток может повредить устройство).
Маркировка трансформаторов
Трансформаторы часто конструируются таким образом, что не очевидно, какие провода ведут к первичной обмотке, а какие – к вторичной. В электроэнергетике, чтобы избежать путаницы, используется обозначение «H» для обмотки более высокого напряжения (первичная обмотка в понижающем блоке; вторичная обмотка в повышающем) и «X» – обозначения низковольтной обмотки.
Следовательно, у простого силового трансформатора будут провода, помеченные «H1», «H2», «X1» и «X2». Почему важна нумерация проводов (H1 и H2 и т.д.), мы рассмотрим немного позже в этой главе.
Практическое значение повышающих и понижающих трансформаторов
Учитывая тот факт, что величины напряжения и силы тока «ступенчато» меняются в противоположных направлениях (одно повышается, другое понижается), стоит вспомнить, что мощность равна напряжению, умноженному на ток, и тогда становится очевидным, что трансформаторы не производят мощность, а только преобразовывают (трансформируют) её.
Если любое устройство начнёт больше выдавать энергии, чем потреблять, это нарушит физический закон сохранения энергии, утверждающий, что энергию нельзя создать или уничтожить, можно только преобразовать. Как и в случае с изначально рассмотренными нами примерами трансформаторов (в которых число витков на первичной и вторичной катушках было одинаковым), эффективность передачи энергии от первичной к вторичной обмотке (с различающимся количеством витков) очень высока.
Практическая польза становится более очевидной, если посмотреть на альтернативу: до появления эффективных трансформаторов преобразование уровня напряжения/тока достигалось только за счёт использования дизель- генераторных установок.
Чертёж такой установки показывает основной принцип работы связки двигатель/генератор:
Рис. 3. Система «двигатель/генератор» иллюстрирует основной принцип работы трансформатора.
В подобном механизме двигатель механически соединён с генератором, причём генератор предназначен для выработки требуемых уровней напряжения и тока в зависимости от скорости вращения двигателя.
Хотя и двигатели, и генераторы являются довольно эффективными устройствами, использование обоих таким образом усугубляет их неэффективность, так что общий КПД находится в диапазоне от 90% и ниже. Кроме того, очевидно, что и в двигателе, и в генераторной установке широко используются ходовые части. Механический износ движущихся деталей и постепенная разбалансировка негативно влияют как на срок службы, так и на производительность.
А вот трансформаторы способны манипулировать уровнями переменного напряжения и тока с очень высоким КПД вообще без использования движущихся частей, благодаря чему широкое распространение и использование электроэнергии, мы считаем само собой разумеющимся.
Справедливости ради отметим, что бывают случаи, когда связка «электродвигатели + генераторная установка» предпочтительнее, чем трансформатор.
Хотя трансформаторы явно превосходят мотор-генераторные установки для преобразования переменного напряжения и уровня тока, они не могут преобразовывать одну частоту переменного тока в другую или (сами по себе) преобразовывать постоянный ток в переменный или наоборот.
Электродвигатели с генераторными установками могут выполнять все эти задачи с относительной простотой, хотя, как уже говорилось, за это придётся заплатить ограничением эффективности и фактором механического износа.
Электродвигатели и генераторные установки также обладают уникальным свойством накопления кинетической энергии: то есть, если подача питания двигателя на мгновение прерывается по какой-либо причине, его угловой момент (инерция вращающейся массы) будет поддерживать вращение генератора в течение короткого промежутка времени, таким образом страхуя любые нагрузки, питаемые от генератора, от «сбоев» в основной энергосистеме.
Анализ работы повышающего и понижающего трансформатора
Присмотревшись к числам в анализе SPICE, можно заметить корреляцию между коэффициентом трансформации и обеими индуктивностями. Обратите внимание на то, что первичная катушка индуктивности (l1) имеет в 100 раз большую индуктивность, чем вторичная катушка индуктивности (10000 Гн против 100 Гн), и что измеренный коэффициент понижения напряжения был 10:1.
Обмотка с большей индуктивностью будет иметь более высокое напряжение и меньший ток, чем другая обмотка с меньшей индуктивностью.
Поскольку две катушки индуктивности намотаны вокруг одного и того же материала сердечника в трансформаторе (для наиболее эффективной магнитной связи между ними), параметры, влияющие на индуктивность обеих катушек, равны, разве что количества витков на катушках различны.
Если ещё раз взглянем на формулу индуктивности, то увидим, что индуктивность пропорциональна квадрату количества витков катушки:
Рис. 4. Формула индуктивности.
Итак, очевидно, что обе катушки индуктивности в последней примерной схеме трансформатора SPICE – с отношениями индуктивности 100:1 – должны иметь отношение витков катушки 10:1, поскольку 10 в квадрате равно 100.
Это похоже на то же соотношение, которое мы обнаружили между первичным и вторичным напряжениями и токами (10:1 и 1:10), поэтому мы можем подтвердить, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен отношению витков обмотки между первичной и вторичной обмотками.
Рис. 5. Понижающий трансформатор (на первичной катушке много витков, на вторичной – мало).
Повышающий/понижающий эффект соотношения витков в трансформаторных катушках аналогичен передаточному соотношению зубьев шестерни в механических зубчатых передачах, где преобразование скорости и крутящего момента происходит схожим образом:
Рис. 6. Редукторная передача снижает крутящий момент, одновременно увеличивая скорость.
Повышающие и понижающие трансформаторы, служащие для распределения электроэнергии, могут быть гигантскими по сравнению с показанными ранее компактными силовыми трансформаторчиками, причём некоторые блоки могут достигать высоты дома. На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около двенадцати футов (более 3 с половиной метров):
Рис. 7. Трансформаторная подстанция высотой с одноэтажный дом.
Итог
Трансформаторы «повышают» или «понижают» напряжение в соответствии с соотношением витков первичной и вторичной обмоток.
Рис. 8. Формулы «повышения»/«понижения» напряжения/тока в зависимости от соотношения витков первичной и вторичной обмоток.
Трансформатор, предназначенный для увеличения напряжения от первичной обмотки к вторичной, называется повышающим трансформатором. Трансформатор, предназначенный для понижения напряжения от первичной обмотки к вторичной, называется понижающим трансформатором.
Коэффициент трансформации равен квадратному корню из отношения его первичной индуктивности к вторичной индуктивности (L).
Рис. 9. Формула коэффициента трансформации напряжения.
