в каком случае трансформатор является повышающим
В каком случае трансформатор является повышающим
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.
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.
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:
Обзор:
Что делает повышающий трансформатор?
Повышающие трансформаторы представляют собой силовые конструкции, предназначенные для монтажа в электрических бытовых и производственных цепях. Установка меняет напряжение в сторону повышения. Как работает повышающий тип трансформаторов, где используются такие установки, нужно рассмотреть подробнее.
Функционирование
Чтобы понять, что такое трансформаторы повышающие напряжение, нужно вникнуть в принцип работы. Оборудование изготавливается для электростанций, схемы конструкции которых относятся к проходной категории.
Повышающий трансформатор на электростанциях используется для обеспечения населенных пунктов, прочих объектов током с определенными техническими показателями. Без преобразователя высокое напряжение по пути своего следования постепенно снижается. Конечный потребитель получал бы недостаточное количество электроэнергии. На конечной в цепи электростанции благодаря этой установке, принимают электричество соответствующего значения. Потребитель получает напряжение в сети до 220 В. Промышленные сети обеспечиваются до 380 В.
Схема, показывающая работу трансформатора в линии, включает в себя несколько элементов. Генератор на электростанции производит электричество 12 кВ. Оно поступает по проводам к повышающим подстанциям. Здесь устанавливается трансформаторный аппарат, призванный повышать показатель в линии до 400 кВ.
От подстанции электричество поступает в высоковольтную линию. Далее энергия попадает на понижающую подстанцию. Здесь она снижается до 12кВ.
Трансформаторами с обратным принципом действия ток направляется в низковольтную линию передач. В конце устанавливается еще один понижающий агрегат. От него электричество с показателем 220 В поступает в дома, квартиры и т. д.
Принцип устройства
Рассматривая, как работает трансформатор повышающий напряжение, нужно вникнуть в основные принципы действия конструкции. Основой работы трансформатора является механизм электромагнитной индукции. Металлический сердечник находится в изоляционной среде. В схему включено две катушки. Количество обмоток неодинаковое. Повысить показатель способны катушки, в первом контуре которых больше витков, чем во втором.
Напряжение переменного типа поступает на первый контур. Например, это ток в сети 110 (100) В. Появляется магнитное поле. Его сила увеличивается при правильном соотношении обмоток в сердечнике. Когда электричество проходит по второй обмотке в повышающем трансформаторе появляется ток с определенным показателем. Например, обеспечивается показатель характеристики сети 220 В.
При этом частота остается прежней. Для поступления постоянного тока в линию электроснабжения в цепь монтируется преобразователь. Этот прибор может быть в оборудовании повышающего типа. Прибор способен работать не только для изменения напряжения, но и частоты. Определенное оборудование питается постоянным током.
Разновидности
К категории повышающих разновидностей техники относится ряд устройств, отличающихся конструкцией, назначением, техническими характеристиками:
Представленные конструкции отличаются мощностью и техническими характеристиками.
Другие виды
В соответствии с рабочими характеристиками представленное оборудование различается еще по нескольким признакам. По количеству контуров бывают однофазные (бытовые) и трехфазные (промышленные) конструкции.
В качестве охладительной системы применяются разные субстанции. Различают масляные и сухие разновидности. В первом случае оборудование стоит дешевле. Масло является пожароопасным веществом. При их использовании предусматривается качественная защита от аварии. Сухие агрегаты заполнены негорючим веществом. Они стоят дороже, но требования по их установке лояльные.
Циркуляция охладителя в системе может быть принудительным или естественным. Существуют конструкции, в которых эти методы комбинируются. Многообразие видов позволяет каждому подобрать оптимальный тип устройства.
Маркировка
Производителями разработана специальная маркировка представленного оборудования. Это позволяет потребителям и проверяющим легко определить разновидность оборудования.
В общем виде обозначение выглядит так — ТМ/Н – Х, где:
Маркировка может включать в себя и другие характеристики. Табличка с указаниями параметров прибора устанавливается на его корпус. При установке оборудования информация с маркировкой должна находиться в доступном для визуального осмотра месте. Подробнее о маркировке трансформаторов читайте здесь.
Ремонт и обслуживание
Трансформатором называется сложное оборудование. Периодически потребуется проводить его обслуживание и ремонт. Доверить эту работу рекомендуется профессионалам. Только человек с соответствующей подготовкой имеет право проводить подобные работы.
При повышенной скорости нагрева, наличии шума, требуется произвести перемотку контуров трансформатора. Эту процедуру сможет выполнить неквалифицированный специалист, обладающий минимальным уровнем знаний в области работы электротехники.
Прибор имеет магнитопривод. Он является общим для катушек. Первый контур ответственен за понижение, а второй – за повышение электричества в сети. Осмотр трансформатора производится по определенной технологии.
Проверка
Сначала проводится визуальный осмотр блока. Если при работе наблюдается перегрев, на поверхности появляются деформации, неровности, вздутие изоляции. Если осмотр не выявил отклонений, нужно найти вход и выход прибора. Первый из них подведен к первой катушке. Здесь появляется магнитное поле в момент подачи электричества. Вывод подведен ко вторичной обмотке.
Выходной сигнал фильтруется. Этот показатель нужно замерять. Снимаются разборные части конструкции корпуса. Требуется получить доступ к микросхемам. Это позволит замерять напряжение мультиметром. При этом потребуется учесть номинальные показатели. Если результат замеров окажется меньше 80 % от заданного производителем значения, цепь первичной не функционирует правильно.
Первую катушку отсоединяют от прибора. На нее больше не поступает электричество. Затем проверяется вторичный контур. При отсутствии фильтрации используется питание от измерительного прибора. При отсутствии нормального напряжения в системе, аппаратура требует ремонта.
После проверки в случае исправности составляющих элементов, конструкция собирается обратном порядке. При необходимости проводится ремонт агрегата.
Интересное видео: Как работает трансформатор?
Рассмотрев особенности, принцип работы повышающих трансформаторов, можно оценить их важность в линиях электропередач. Применение подобного оборудования повышает качество электричества в бытовых, промышленных сетях. Его устанавливают повсеместно. Представленные разновидности установок сегодня пользуются высоким спросом.
Какой трансформатор называют повышающим
Повышающий трансформатор это обычный трансформатор (см. назначение и принцип действия трансформатора) который повышает значение напряжения электрического тока. На первичной обмотке оно ниже, а на вторичной выше. Тем самым на выходе прибора напряжение выше и за счет определенного числа витков обмотки и сечения имеет нужное значение.
Принцип работы повышающего трансформатора заключается в величине К (коэффициент трансформации).
При К>1 трансформатор является понижающим, а при К 
повышающий трансформатор схема
Применение повышающих трансформаторов
Приборы устанавливаются в электрических линиях и источниках питания потребительских точек. В соответствии с законом Джоуля — Ленца при увеличении силы тока выделяется тепло, которое нагревает провод. Для транслирования энергии на большие линейные расстояния увеличивают напряжение, а токи уменьшают. При поступлении к потребителю мощность снижают, поскольку в целях безопасности пришлось бы использовать массивную изоляцию.
В начале цепочки устанавливают повышающий трансформатор, а в точке приема понижают показатели. Такие комбинации на протяжении ЛЭП используют многократно, добиваясь выгодных условий транспортировки электричества и создавая приемлемые значения для потребителя.
Из-за присутствия в сети трех фаз для трансформации энергии используют трехфазные агрегаты. Иногда применяют группу, в которой устройства объединены в модель звезды, при этому них общий проводящий стержень.
Хоть коэффициент полезного действия у агрегатов большой мощности достигает почти стопроцентного значения, всё равно выделяется много тепла. Типичный трансформатор электрической станции 1 гВт выдает несколько мегаватт. Чтобы снизить это явление, разработана охладительная система в виде бака с негорючей жидкостью или трансформаторным маслом и сильным устройством для воздушной раздачи тепла. Охлаждение чаще водяное, сухой принцип используют при небольшой мощности.
Повышающий тороидальный трансформатор
Как вы понимаете, говоря «тороидальный трансформатор», подразумевают обычно сетевой однофазный трансформатор, силовой или измерительный, повышающий или понижающий, у которого тороидальный сердечник оснащен двумя или несколькими обмотками.
Работает тороидальный трансформатор принципиально так же как и трансформаторы с другими формами сердечников: он понижает или повышает напряжение, повышает или понижает ток — преобразует электроэнергию. Но тороидальный трансформатор отличается при той же передаваемой мощности меньшими размерами и меньшим весом, то есть лучшими экономическими показателями.
Главная особенность тороидального трансформатора — небольшой общий объем устройства, доходящий до половины в сравнении с другими типами магнитопроводов.
Шихтованный сердечник вдвое больше по объему чем тороидальный ленточный сердечник при той же габаритной мощности.
Поэтому тороидальные трансформаторы удобнее устанавливать и подключать, и уже не так важно, идет ли речь о внутреннем или о наружном монтаже.
Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам:
Охлаждение обмоток — еще один важный фактор.
Обмотки эффективно охлаждаются будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой.
Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.
Экономия электроэнергии — еще один плюс в пользу тороидального трансформатора.
Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.
При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, — и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.
Для чего около электростанций устанавливают повышающий напряжение трансформатор?
Любой проводник имеет свое сопротивление и поэтому в ЛЭП неизбежно возникают тепловые потери на нагрев проводника. Величина нагрева пропорциональна квадрату тока в цепи, по этому повышая напряжение до сотен киловольт, мы, согласно закону Ома понижаем ток, а значит и снижает тепловые потери и размер проводников ЛЭП, экономия материалов и стоимости.
Видео: Повышающий трансформатор
Устройство повышающего трансформатора напряжения
Открытие в далёком 1831 году великим учёным Фарадеем принципа электромагнитной индукции позволило по-новому взглянуть на многие законы электротехники. Именно основываясь на взаимодействие электромагнитных полей, через 45 лет после этого великий русский учёный П. Н. Яблочков получил патент на изобретение трансформатора. Классическое определение звучит так: трансформатор — это электрическое устройство, преобразующее ток первичной обмотки одного напряжения, в ток вторичной обмотки с другим напряжением.
Индукционный эффект образуется при изменении электромагнитного поля, поэтому для работы трансформатора необходимо наличие напряжения с переменным током. Трансформация (передача) осуществляется преобразованием электрической энергии первичной обмотки в магнитное поле, а затем, во вторичной обмотке происходит обратное преобразование магнитного поля в электрическую энергию. В случае если количество витков вторичной обмотки будет превышать число витков первичной обмотки, то устройство будет называться повышающим трансформатором. При подключении обмоток в обратном порядке, получается понижающее устройство.
Устройство и принцип работы
Конструктивно повышающее устройство трансформации напряжения состоит из сердечника и двух обмоток. Сердечник собран из пластин электротехнической листовой стали. На него намотаны первичная и вторичная обмотки, из медного провода, различного диаметра. Толщина провода намотки трансформатора напрямую зависит от его выходной мощности.
Сердечник устройства может быть стержневым или броневым. При использовании изделия в сетях низкочастотного напряжения чаще всего применяются стержневые магнит проводы, которые по форме могут быть:
Изготавливаются сердечники из трансформаторного специального железа, от качественных характеристик которого и зависят многие общие параметры устройства. Набирается сердечник из тонких железных пластин, которые изолированы друг от друга лаком или слоем окиси, для уменьшения потерь за счёт вихревых токов. Могут применяться и готовые половинки, которые сделаны из сплошных железных лент.
Достоинства и недостатки сердечников
В трансформаторах Ш-образного типа все обмотки обычно делаются на центральном стержне. В П-образном устройстве вторичная обмотка может наматываться на один стержень, а первичная — на другой. Особенно часто, встречаются конструктивные решения, когда разделённые пополам обмотки наматываются на оба стержня, а после соединяются между собой последовательно. При этом существенно сокращается расход провода для трансформатора, и улучшаются технические характеристики прибора.
Технические характеристики
Основными характеристиками при эксплуатации трансформатора считаются:
Величина отношения напряжений на входе и выходе устройства называется коэффициентом трансформации. Это соотношение зависит только от количества витков в обмотках и остаётся неизменным при любом режиме функционирования устройства.
От диаметра проводов и от типа сердечника напрямую зависит мощность трансформатора, которая со стороны первичной намотки равна сумме мощностей вторичных обмоток, за исключением потерь.
Напряжение, получаемое на выходной обмотке устройства, без подключения нагрузки, называется напряжением холостого хода. Разница между этим показателем и напряжением с нагрузкой указывает на величину потерь за счёт разного сопротивления проводов обмотки.
От качественных показателей сердечника трансформатора полностью зависит величина тока холостого хода. В идеальном случае, ток первичной обмотки создаёт в сердечнике устройства магнитное поле переменного значения, по величине электродвижущая сила которого равна току холостого хода и противоположна по направлению. Но вот в реальности величина электродвижущей силы всегда меньше напряжения на входе, за счёт возможных потерь в сердечнике.
Именно поэтому для уменьшения величины тока холостого хода, требуется материал высокого качества при изготовлении сердечника и минимальный зазор между его пластинами. Таким условиям в большей мере соответствуют тороидальные сердечники.
Типы устройств
В зависимости от мощности, конструкции и сферы их применения, существуют такие виды трансформаторов:
Обслуживание и ремонт
Желательно человеку, не знающему принцип действия электротехнических приборов, не заниматься ремонтными работами этого оборудования, из-за возможности поражения электрическим током. При ремонте и обслуживании трансформаторных устройств, единственное, что можно исправить, без недопустимых последствий, это перемотка трансформатора.
Перед началом любых ремонтных работ необходимо произвести проверку трансформатора:
После перемотки повышающего трансформатора напряжения, в случае неисправности обмотки, нужно собрать его в обратной последовательности, при этом особое внимание необходимо уделить наиболее плотному прилеганию пластин сердечника.
Самостоятельное изготовление или ремонт устройства предоставляется процессом очень сложным и трудоёмким. Для выполнения таких работ потребуется наличие необходимых материалов, а также умение производить некоторые специальные расчёты. В частности, нужно будет точно рассчитать количество витков в обмотке трансформатора, диаметр проводов для обмотки, а также сечение и тип сердечника устройства.
Поэтому лучше обратиться для проведения этих операций к квалифицированному человеку, знакомому с основными понятиями и свойствами электротехники и расчётами по необходимым формулам.