Что первично а что вторично напряжение ток или мощность: Что такое напряжение, ток, сопротивление: разбираемся на примерах

Что такое напряжение, ток, сопротивление: разбираемся на примерах

Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.

И так будем разбираться во всем по порядку.

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10^-19 Кл (Кулон). Обозначается е или е^–.

Напряжение

Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V. Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд, высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток.

Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.

Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!

Единица измерения силы тока – Ампер (А). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I. Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10¹⁸ электронов) за 1 секунду.

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление.

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.

Сопротивление

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.

Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.

Мощность

Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.

Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.

Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P. Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность, единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A), обозначается буквой S.

И в завершение про Электрическую цепь. Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.

Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями R (Ом) от плюса к минусу течет электрический ток I (А) заставляющий светиться лампочку мощностью P (Вт). Не обращайте внимания на яркость лампы, это из-за плохого давления и малого потока воды батареек.

Фонарик, что представлен на фотографии, собран на базе конструктора «Знаток». Данный конструктор позволяет ребенку в игровой форме познать основы электроники и принцип работы электронных компонентов. Поставляется в виде наборов с разным количеством схем и разного уровня сложности.

Трансформатор тока AGF 123/1

Измерительные трансформаторы тока серии AGF 123, изготавливаются с литой изоляцией из эпоксидной смолы, наружной установки и рассчитаны для работы в электроустановках напряжением до 126 кВ. Длина пути утечки и разрядное расстояние предусмотрены для высокого уровня загрязнения воздуха. Сердечник изготовлен из высококачественного магнитного материала, дает надежные и постоянные характеристики измерительному трансформатору. Возможно изготовление трансформаторов тока до восьми вторичных обмоток. Вторичные обмотки измерительного трансформатора тока с литой  изоляцией могут использоваться для измерения и защиты. Трансформаторы могут подсоединяться первично в отношении 1:2:4 и вторично подсоединяться с двумя или больше первичных токов.

Условия окружающей среды: температура от -60 С° до +55 С°

Трансформаторы являются хорошей альтернативой морально устаревшим трансформаторам с масляной и элегазовой (SF6) изоляцией.

Данные трансформаторы имеют ряд преимуществ:

• Пожаробезопасность

• Легкость монтажа ввиду отсутствия требований по дозаправке

• Отсутствие какого либо обслуживания на протяжении всего срока службы

• Отсутствие вредных газов

• Установка на объектах в условиях сильного загрязнения воздуха

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

ГАБАРИТНЫЙ ЧЕРТЕЖ

ТРАНСФОРМАТОР ТОКА 110 кВ с ЛИТОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ НАРУЖНОЙ УСТАНОВКИ AGF 123/1

Измерительные трансформаторы тока серии AGF 123, изготавливаются с литой изоляцией из эпоксидной смолы, наружной установки и рассчитаны для работы в электроустановках напряжением до 126 кВ. Длина пути утечки и разрядное расстояние предусмотрены для высокого уровня загрязнения воздуха. Сердечник изготовлен из высококачественного магнитного материала, дает надежные и постоянные характеристики измерительному трансформатору. Возможно изготовление трансформаторов тока до восьми вторичных обмоток. Вторичные обмотки измерительного трансформатора тока с литой  изоляцией могут использоваться для измерения и защиты. Трансформаторы могут подсоединяться первично в отношении 1:2:4 и вторично подсоединяться с двумя или больше первичных токов.

Условия окружающей среды: температура от -60 С° до +55 С°

Трансформаторы являются хорошей альтернативой морально устаревшим трансформаторам с масляной или элегазовой (SF6) изоляцией.

Данные трансформаторы имеют ряд преимуществ:

• Пожаробезопасность

• Легкость монтажа ввиду отсутствия требований по дозаправке

• Отсутствие какого либо обслуживания на протяжении всего срока службы

• Отсутствие вредных газов

• Установка на объектах в условиях сильного загрязнения воздуха

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Power Electronics • Просмотр темы

К сожалению демонстрировать сейчас что-то с IGBT нет времени, но случайно нашел в своих старых наработках пример моделирования баяна из диодов, используемых без выравнивающих резисторов.

Использование баянов происходит достаточно часто (по крайней мере в сварочных источниках), при условии значительного запаса по току и одинаковых условий охлаждения. Однако, как с использованием выравнивающих элементов, так и без них, полезно проверять в модели (или расчётом) ситуацию с распределением токов для условия крайнего разброса параметров. В случае использования диодов, их статическая характеристика моделировалась при помощи последовательно включенных источника напряжения и сопротивления (оба термозависимые). Моделирование проводилось для практически нереальной (но теоретически возможной) ситуации, когда один, наиболее нагруженный, диод имеет типовое прямое падение напряжения, а три остальных максимально возможное (течет минимальный ток). При этом наиболее нагруженный диод находится в наихудших условиях охлаждения. Моделирование проводилось для наиболее тяжелого режима обратного диода, некоторого источника с выходным током 100А.

Считаем, что параллельно включено 4 диода 30EPH06, установленных через керамику на основание с водяным охлаждением. Первый диод имеет типовое прямое падение напряжения, а три остальных максимальное.

В модели функциональные источники B1 и B2 имитируют типовой диод, а B3, B4 максимальный. B2 и B4 имитируют прямое падение на диоде при минимальном токе. Из рис.1 справочника, эти источники при 0гр.С имеют напряжение 1.025В (пересчитано из Vf25, согласно ТКН), которое, при повышении температуры, падает с ТКН -3мВ/гр.С. При пересчёте графиков рис.1 для больших токов, с учётом таблицы электрических характеристик выясняется, что для 25гр.С динамическое сопротивление меняется от 35мОм(тип) до 55мОм(макс), а для температуры 150гр.С от 26мОм(тип) до 40мОм(макс). Соответственно, при возрастании прямого падения от тип. к макс. ТКС меняется от -0.07 до -0.12мОм.В соответствии с этим B1 имитирует динамическое сопротивление типового диода, а B3 типовое сопротивление трёх максимальных, включенных параллельно (всё делим на три).Теперь моделируем тепловой режим.Тепловое сопротивление кристалл-корпус 0.5 .. . 0.9гр.С/Вт Тепловое сопротивление керамики 0.4гр.С/Вт Суммарное тепловое сопротивление контактов 0.4гр.С/Вт Тепловое сопротивление между посадочным местом и охлаждающей жидкостью 0-0.22гр.С Соответственно тепловое сопротивление для типового диода составляет Rt=0.9+0.4+0.4+0.22=1.92гр.С/Вт Для трёх максимальных, которые по условию лучше охлаждаются, Rt=(0.5+0.4+0.4+0)/3=0.433гр.С/Вт Разогрев типового диода имитируют элементы B5 и R1, где B5 генерирует ток пропорциональный мощности, выделяемой на типовом диоде. Этот ток протекает через тепловое сопротивление R1 и на нём падает напряжение равное температуре кристалла диода.Разогрев максимальных диодов имитируют элементы B6 и R2V1 имитирует температуру охлаждающей жидкости.При помощи импульсного источника тока I1, через модели диодов пропускаются импульсы тока 100А с заполнением D=0.55 Конденсаторы С1 и С2 сглаживают пульсацию температуры на тепловых сопротивлениях.

При этом получилось, что через наиболее нагруженный диод протекал средний ток 25А, а через остальные три диода 30А. Температура кристалла наиболее нагруженного диода составила 115гр.С, а температура кристаллов наименее нагруженных диодов 52гр.С (при максимальной температуре охлаждающей жидкости +30гр.С). Однако выпрямитель сохранит работоспособность даже если температуре охлаждающей жидкости достигнет +100гр. Даже в этом случае температура кристаллов не превысит допустимых 175гр.С, а составит, соответственно, 167гр.С и 118гр.С.

Прямое падение диодов обычно близко к типовому. Поэтому следует ожидать, что в реальности режим диодов будет легче, чем получен для наиболее нагруженного в модели.

_________________
«Древние украли все наши лучшие идеи!»
— Марк Твен.

Измерительные трансформаторы тока с литой изоляцией 110 кВ, цена

AGF 123/1 – измерительные трансформаторы тока, с литой изоляцией наружной установки. Трансформаторы предусмотрены для уровня напряжения 123 кВ. Длина пути утечки и разрядное расстояние предусмотрены для высокого уровня загрязнения воздуха. Существует возможность изготовления до 7 вторичных обмоток. Вторичные обмотки могут использоваться для измерения и защиты. Трансформаторы могут подсоединяться первично в отношении 1:2:4 и  вторично подсоединяться с двумя или больше первичных токов. Условия окружающей среды: температура от -60 С° до +55С°

Стабилизатор AMS1117-3.

3 схема включения, описание, применение и аналоги LM1117

Серия микросхем AMS1117 это линейные стабилизаторы с малым падением напряжения. Если заказать в Китае отладочную плату, питающуюся от USB и имеющую потребители на 3,3В (например микроконтроллеры STM32 или всевозможные датчики и индикаторы), то скорее всего на этой плате будет установлен стабилизатор AMS1117-3.3. Выпускается Advanced Monolithic Systems.
Например на фото стабилизатор AMS1117-3.3 в корпусе SOT-223 установленный на отладочной плате с STM32F103C8T6.

AMS1117 выпускаются на разные напряжения: 1,2 В; 1,5 В; 1,8 В; 2,5 В; 2,85 В; 3,3 В и 5 В.
Кроме того есть модификация AMS1117, которая двумя внешними резисторами настраивается на нужное напряжение в диапазоне от 1,2 В до 5 В.

AMS1117 схема включения

Схема включения стабилизатора на фиксированное напряжение проще некуда:

Схема включения стабилизатора программируемого резисторами такая же как например у LM317:

На рисунке также приведена формула позволяющая рассчитать выходное напряжение для заданных резисторов.

В документации на стабилизатор указаны графики зависимости опорного напряжения и тока подстроечного входа от температуры. Из этих графиков видно, что при подогреве AMS1117 выходное напряжение будет подрастать. И если влияние тока подстроечного входа можно компенсировать снизив сопротивления резисторов, то изменение опорного напряжения ни как не компенсировать.

AMS1117 цоколевка

AMS1117 описание характеристик

• Максимальный выходной ток – 1 А;
• Максимальное входное напряжение – 15 В;
• Температурный диапазон работы T = -20 .. +125°С;
• Максимальная рассеиваемая мощность для корпуса SOT-223 – Pmax = 0,8 Вт;
• Максимальная рассеиваемая мощность для корпуса TO-252 – Pmax = 1,5 Вт;
• Тепловое сопротивление кристалл-корпус для корпуса SOT-223 – Rt = 15°С/Вт;
• Тепловое сопротивление кристалл-корпус для корпуса TO-252 – Rt = 3°С/Вт;
• Выключение при перегреве кристалла – T = 155°С;
• Тепловой гистерезис – ΔT = 25°С.

AMS1117 внутренняя структура

Интересно, что стабилизаторы с фиксированным напряжением отличаются от «подстраевымых» только наличием двух дополнительных резисторов определяющих напряжение. Судя по рисунку структуры стабилизатора из документации задающие резисторы присутствуют на кристалле, а выбор того на какое напряжение будет запрограммирован стабилизатор определяется перемычками.

AMS1117 аналоги

Конечно у такого популярного стабилизатора есть аналоги: LD1117A, IL1117A и минский «Транзистор» выпустил серию аналогов К1254ЕН.

Так же аналогом является LM1117 но есть отличия:

• LM1117 можно настраивать на напряжения от 1,25 В до 13,8 В;
• Кроме подстраиваемого LM1117 бывает на напряжения 1,8 В; 2,5 В; 3,3 В и 5 В;
• У версии в корпусе SOT-223 максимальный ток 800мА.

AMS1117 применение

Стабилизатор AMS1117 можно применять в тех же схемах, что и LM317. Только нужно помнить про максимальные напряжения и выходной ток стабилизатора.

(PDF) A simplified model of a current transformer for studying relay protection operation in transient conditions

Мухаметгалеева Т.С., Федосов Д.С. Разработка упрощенной модели трансформатора тока для …

Mukhametgaleeva T.S., Fedosov D.S. A simplified model of a current transformer for studying relay protection …

ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2021;25(4):450–462

PROCEEDINGS OF IRKUTSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY 2021;25(4):450–462

References

1. Ilyushin P, Nebera A, Fedorov O. Development per-

spectives and automation tools for the tasks of relaying

protection maintenance. Releinaya zashchita i avtomati-

zatsiya. 2017;2:28–37. (In Russ.)

2. Dolbilova EG, Nakonechny MV. Major trends in the

development of relay protection and automation systems,

problems and shortcomings in microprocessor protection.

Nauchno-tekhnicheskoe i ehkonomicheskoe sotrudnich-

estvo stran Aziatsko-Tihookeanskogo regiona v XXI veke.

2012;1:101–105. (In Russ.)

3. Odinaev IN, Murzin PV, Pazderin AV, Tashchilin VA,

Shukalo A. Analysis of mathematical methods for de-

creasing the saturated current transformer error. Ehlek-

trotekhnicheskie sistemy i kompleksy = Electrotechnical

Systems and Complexes. 2020;2:11–18. (In Russ.)

https://doi.org/10.18503/2311-8318-2020-2(47)-11-18

4. Kuzhekov SL, Degtyarev AA, Cherednichenko KV. En-

suring required operation accuracy of protective current

transformers in transient modes. Elektricheskie stantsii =

Power Technology and Engineering. 2015;5:53–60.

(In Russ.)

5. Kuzhekov SL, Degtyarev AA, Doni NA, Shurupov AA,

Petrov AA, Kostarev LN, et al. Analysis of non-selective

actions of busbar differential protection at external single-

phase short circuits with saturation of current transformer

in a healthy phase. Releinaya zashchita i avtomatizatsiya.

2019;1:28–36. (In Russ.)

6. Hunt R, Schaefer J, Bentert B. Practical experience in

setting transformer differential inrush restraint. In: 61st

Annual Conference for Protective Relay Engineers. 1–3

April 2008, TX. TX: IEEE; 2008, р. 118–141.

https://doi.org/10.1109/CPRE.2008.4515051

7. Gorji RT, Hosseini SM, Abdoos AA, Ebadi A. A hybrid

intelligent method for compensation of current transform-

ers saturation based on PSO-SVR. Periodica Polytechni-

ca Electrical Engineering and Computer Science.

2021;65(1):53–61. https://doi.org/10.3311/PPEE.16248

8. Zheng Yuping, Wu Tonghua, Hong Feng, Yao Gang,

Chai Jimin, Wei Zhinong. Transmission line distance pro-

tection under current transformer saturation. Journal of

Modern Power Systems and Clean Energy. 2021;9(1):68–

76. https://doi.org/10.35833/MPCE.2019.000095

9. Zaytseva N, Fedosov D. Development of an algorithm

for improving the reliability of digital differential protection

in transient modes. In: International Ural Conference on

Electrical Power Engineering (UralCon). 22–24 Septem-

ber 2020, Chelyabinsk. Chelyabinsk: IEEE; 2020, p. 195–

199. https://doi.org/10.1109/UralCon49858.2020.9216232

10. Novash IV, Rumyantsev YuV. Mathematical model

implementation of wye-connected current transformers in

dynamic simulation system. Izvestiya vysshih uchebnyh

zavedenij i energeticheskih ob’edinennij SNG. Energetika

= Energetika. Proceedings of CIS higher education institu-

tions and power engineering associations. 2014;3:19–28.

(In Russ.).

11. Mironyuk NE, Sobolev AS, Pudov VI. Calculation

model for estimation accuracy of characteristics of elec-

tromagnetic transformers of the current. Elektrichestvo.

2016;2:19–28. (In Russ. ).

12. Kasztenny B, Mazereeuw J, DoCarmo H. CT satura-

tion in industrial applications — analysis and application

guidelines. In: 60th Annual Conference for Protective Re-

lay Engineers. 27–29 March 2007, Texas. Texas: IEEE;

2008, p. 418–425. https://doi.org/10.1049/cp:20080074

13. Novozhilov MA, Pionkevich VA. Development and

study of mathematical models of three-phase bridge recti-

fiers and inverters. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo

tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State

Technical University. 2019;23(3):553–574. (In Russ.)

https://doi.org/10.21285/1814-3520-2019-3-553-574

14. Bulatov YuN, Kryukov AV, Suslov KV, Polyachkova

MA. Application of a gas turbine plant with predictive con-

trollers in an isolated power supply system with an asyn-

chronous load. Sistemy. Metody. Tekhnologii = Systems.

Methods. Technologies. 2021;1:48–54. (In Russ.)

https://doi.org/10.18324/2077-5415-2021-1-48-54

15. Novash IV, Rumiantsev YuV. A simplified model of

three-phase bank of current transformers in the dynamic

simulation system. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij i

energeticheskih ob’edinennij SNG. Energetika = Energeti-

ka. Proceedings of CIS higher education institutions and

power engineering associations. 2015;(5):23–38.

(In Russ.)

16. Tikhonov AI, Karzhevin AA, Podobny AV, Dryazgov

DE. Development and study of a dynamic model of single-

phase amorphous steel core transformer. Vestnik

Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo univer-

siteta = Vestnik of the Ivanovo State Power Engineering

University. 2019;2:43–51. (In Russ.)

https://doi.org/10.17588/2072-2672.2019.2.043-051

17. Etingov DA, Fedosov DS. Development of restraint

algorithm for improvement of reliability of transformer

differential protection during external short circuits.

In: International Ural Conference on Electrical Power

Engineering (UralCon). 1–3 October 2019, Chelyabinsk.

Chelyabinsk: IEEE; 2019, р. 388–393.

https://doi.org/10.1109/URALCON.2019.8877653

18. Etingov DA, Fedosov DS. Application of the phase

comparison principle for improvement of reliability of the

transformer differential protection. In Elektroenergetika

glazami molodezhi – 2019: materialy yubilejnoj X

Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii =

Electric power industry through the eyes of youth — 2019:

materials of the anniversary 10th International scientific

and technical conference. 16–20 September 2019, Ir-

kutsk. Irkutsk: Irkutsk State Technical University; 2019, р.

79–82. (In Russ.)

19. Mazaleva NN, Gorbenko YuM. Equivalent circuits for

current transformers and transreactors. Vologdinskie cht-

eniya. 2002;28:15–17. (In Russ.)

20. Tokić A, Milardić V, Kasumović M, Demirović D.

Conversion of RMS into instantaneous transformer

saturation characteristics – implementation in MATLAB/

SPS-ST. International Review of Electrical Engineering.

2019;14(5):367–374.

https://doi.org/10.15866/iree.v14i5.17298

Трансформатор Основные операции

• Изучив этот раздел, вы сможете описать:
• • Базовая работа трансформатора.
• • Передаточное отношение.
• • Коэффициент мощности.
• • Коэффициент трансформации.
• • Потери в трансформаторе: медь, гистерезис и вихревые токи.
• • Эффективность трансформатора и ток без нагрузки.

Трансформеры.

Трансформатор использует принципы электромагнетизма для изменения одного уровня напряжения переменного тока на другой. Работа Фарадея в 19 веке показала, что изменение тока в проводнике (например, в первичной обмотке трансформатора) создает вокруг проводника изменяющееся магнитное поле. Если в это изменяющееся магнитное поле поместить другой проводник (вторичную обмотку), в этой обмотке будет индуцироваться напряжение.

Соотношение оборотов.

Фарадей также рассчитал, что напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, будет иметь величину, зависящую от КОЭФФИЦИЕНТА ВИТКОВ трансформатора. т. е. если вторичная обмотка имеет половину числа витков первичной обмотки, то вторичное напряжение будет вдвое меньше напряжения на первичной обмотке. Точно так же, если вторичная обмотка имеет вдвое большее количество витков, чем первичная обмотка, вторичное напряжение будет вдвое больше первичного напряжения.

Коэффициент мощности.

Поскольку трансформатор является пассивным компонентом (у него нет внешнего источника питания), он не может вырабатывать на вторичной обмотке больше мощности, чем подается на первичную. Поэтому, если вторичное напряжение больше первичного напряжения на определенную величину, вторичный ток будет меньше первичного тока на аналогичную величину, т. е. если напряжение удвоится, ток уменьшится вдвое.

Рис. 11.1.1 Базовая работа трансформатора.

Коэффициент трансформации.

Базовая работа трансформатора может быть описана двумя формулами, связывающими коэффициент трансформации с коэффициентом витков обмоток трансформатора.

• В _P = первичное напряжение.
• I _P = первичный ток.
• В _S = вторичное напряжение.
• I _S = вторичный ток.
• N _P = количество витков в первичной обмотке.
• N _S = количество витков вторичной обмотки.

Потери трансформатора.

Формулы на рис. 11.1.1 относятся к идеальному трансформатору, т. е. трансформатору без потерь мощности, в котором вольт-ампер первичной обмотки = вольт-ампер вторичной обмотки.

Несмотря на то, что практические трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективными, будут возникать некоторые потери, поскольку не весь магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, будет связан со вторичной обмоткой. Потери мощности в трансформаторе бывают трех типов;

1.Медные потери.

Эти потери также можно назвать потерями в обмотке или потерями I2R, поскольку они могут возникать в обмотках, изготовленных из металлов, отличных от меди. Потери проявляются в виде тепла, выделяемого в обмотках (медных) проводов, когда они рассеивают мощность из-за сопротивления провода.

Потери мощности в обмотке трансформатора можно рассчитать, используя ток в обмотке и ее сопротивление по формуле для мощности P = I ² R. По этой формуле потери в меди иногда называют I ² R. потери.Чтобы свести к минимуму потери, сопротивление обмотки должно поддерживаться на низком уровне с использованием провода подходящей площади поперечного сечения и низкого удельного сопротивления.

2. Гистерезисные потери.

Каждый раз, когда переменный ток меняется на противоположное (один раз за цикл), крошечные «магнитные домены» внутри материала сердечника меняются местами. Это физические изменения в основном материале, требующие некоторой энергии. Количество используемой энергии зависит от «сопротивления» материала сердцевины; в больших сердечниках силовых трансформаторов, где гистерезисные потери могут быть проблемой, она в значительной степени решается за счет использования в качестве материала сердечника специальной стали с низким сопротивлением, ориентированной на зерна.

3. Потери на вихревые токи.

Поскольку железный или стальной сердечник является электрическим проводником, а также магнитной цепью, изменение тока в первичной обмотке будет иметь тенденцию создавать ЭДС как в сердечнике, так и во вторичной обмотке. Токи, наведенные в сердечнике, будут противодействовать изменениям магнитного поля, происходящим в сердечнике. По этой причине эти вихревые токи должны быть как можно меньше. Это достигается путем разделения металлического сердечника на тонкие листы или «слои», каждый из которых изолирован от другого изолирующим слоем лака или оксида.Многослойные сердечники значительно снижают образование вихревых токов, не влияя на магнитные свойства сердечника.

Ферритовые сердечники.

В высокочастотных трансформаторах потери на вихревые токи уменьшаются за счет использования сердечника из керамического материала, содержащего большую долю мельчайших металлических частиц, железной пыли или марганцево-цинкового. Керамика изолирует металлические частицы друг от друга, создавая эффект, аналогичный ламинату, и лучше работает на высоких частотах.

Благодаря способам снижения потерь, описанным выше, практические трансформаторы близки к идеалу по характеристикам.В больших силовых трансформаторах может быть достигнут КПД около 98%. Поэтому для большинства практических расчетов можно предположить, что трансформатор является «идеальным», если не указаны его потери. Фактические вторичные напряжения в практическом трансформаторе будут лишь немного меньше рассчитанных с использованием теоретического коэффициента трансформации.

Ток без нагрузки.

Поскольку работа трансформатора почти идеальна, мощность как в первичной, так и во вторичной обмотках одинакова, поэтому, когда вторичная обмотка не нагружена, вторичный ток не течет, а мощность во вторичной обмотке равна нулю (V x I = 0).Следовательно, хотя к первичной обмотке приложено напряжение, ток не будет течь, поскольку мощность в первичной обмотке также должна быть равна нулю. В практических трансформаторах «ток без нагрузки» в первичной обмотке на самом деле очень низкий.

вольт на оборот.

Трансформатор с первичной обмоткой 1000 витков и вторичной обмоткой 100 витков имеет соотношение витков 1000:100 или 10:1. Следовательно, 100 вольт, приложенные к первичной обмотке, создадут вторичное напряжение 10 вольт.

Еще один способ учета напряжения трансформатора — по вольтам на виток; если 100 вольт, приложенные к 1000-витковой первичной обмотке, дают 100/1000 = 0. 1 вольт на виток, то каждый отдельный виток вторичной обмотки из 100 витков будет производить 0,1 В, поэтому общее вторичное напряжение будет 100 × 0,1 В = 10 В.

Тот же метод можно использовать для определения значений напряжения на отдельных ответвлениях автотрансформатора, когда известно число витков на ответвление.

Просто разделите общее напряжение на всей обмотке на общее количество витков и умножьте результат на количество витков в конкретном ответвлении.

Соотношение мощности между первичной и вторичной обмотками

Соотношение мощности между первичной и вторичной обмотками

Как только что было объяснено, коэффициент трансформации трансформатора влияет как на ток, так и на напряжение.
Если напряжение во вторичной обмотке удвоится, ток во вторичной обмотке уменьшится вдвое. И наоборот, если
напряжение во вторичной обмотке уменьшается вдвое, ток во вторичной обмотке увеличивается вдвое. Таким образом,
вся мощность, отдаваемая источником в первичную часть, также передается в нагрузку от источника.
вторичная (за вычетом той мощности, которая потребляется трансформатором в виде потерь).Снова обратитесь к трансформатору, показанному на рис. 5-11.

Передаточное отношение 20:1. Если вход в первичку составляет 0,1 ампер при 300 вольт,
мощность в первичке P = E X I = 30 Вт. Если в трансформаторе нет потерь, 30 Вт
доставляется на вторичку. Вторичная ступень понижает напряжение до 15 вольт и ступенчато
увеличить ток до 2 ампер. Таким образом, мощность, отдаваемая в нагрузку вторичной обмоткой, равна P =
E X I = 15 вольт х 2 ампера = 30 Вт.

Причина этого в том, что при уменьшении количества витков во вторичной обмотке
сопротивление течению также уменьшается.

Следовательно, во вторичной обмотке будет протекать больший ток. Если коэффициент трансформации трансформатора
увеличивается до 1:2, количество витков на вторичной обмотке в два раза превышает количество витков на
основной. Это означает, что сопротивление току удваивается. Таким образом, напряжение удваивается,
но ток уменьшается вдвое из-за увеличения сопротивления току во вторичной обмотке.То
Важно помнить, что , за исключением мощности, потребляемой в течение
трансформатора, вся мощность, подаваемая на первичную часть от источника, будет подаваться на
нагрузка. Форма мощности может меняться, но мощность во вторичном почти равна
мощность в первичке.

ПОТЕРИ ТРАНСФОРМАТОРА

Практичные силовые трансформаторы, хотя и обладают высокой эффективностью, не являются совершенными устройствами.Маленький
силовые трансформаторы, используемые в электрооборудовании, имеют КПД от 80 до 90 процентов,
в то время как большие коммерческие силовые трансформаторы могут иметь КПД, превышающий 98 процентов.

Общие потери мощности в трансформаторе представляют собой комбинацию трех типов потерь. Один
потери обусловлены сопротивлением постоянному току в первичной и вторичной обмотках. Эта потеря
называется МЕДНАЯ потеря или I ² R потеря.

Две другие потери связаны с ВИХРЕВЫМИ ТОКАМИ и ГИСТЕРЕЗИСОМ в сердечнике
трансформатор.Потери в меди, потери на вихревые токи и потери на гистерезис приводят к нежелательным
преобразование электрической энергии в тепловую энергию .

Q.22 Какая математическая связь между мощностью в первичной обмотке (P _p )
и мощность во вторичной обмотке (P _s ) трансформатора?

Потеря меди

Всякий раз, когда ток течет по проводнику, мощность рассеивается на сопротивлении проводника.
проводник в виде тепла.Количество мощности, рассеиваемой проводником, прямо
пропорциональна сопротивлению провода и квадрату тока через него.
Чем больше значение сопротивления или тока, тем больше мощность
рассеялся. Первичная и вторичная обмотки трансформатора обычно изготавливаются из
медный провод с низким сопротивлением.

Сопротивление данной обмотки зависит от диаметра провода и его
длина. Потери в меди можно свести к минимуму, если использовать провод соответствующего диаметра.Большой диаметр
провод требуется для сильноточных обмоток, тогда как провод малого диаметра может использоваться для
слаботочные обмотки.

Потери на вихревые токи

Сердечник трансформатора обычно изготавливается из ферромагнитного материала определенного типа.
потому что это хороший проводник магнитных линий потока.

Всякий раз, когда на первичную обмотку трансформатора с железным сердечником подается переменный ток
источника, возникает флуктуирующее магнитное поле.Это магнитное поле перерезает проводящий
материал сердечника и индуцирует в нем напряжение. Наведенное напряжение вызывает случайные токи
поток через сердечник, который рассеивает мощность в виде тепла. Эти нежелательные
токи называются

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ.

Чтобы свести к минимуму потери, вызванные вихревыми токами, сердечники трансформаторов ЛАМИНИРОВАНЫ.
Поскольку тонкие изолирующие пластины не обеспечивают легкого пути для тока,
потери на вихревые токи значительно уменьшаются.

Потеря гистерезиса

Когда магнитное поле проходит через сердечник, материал сердечника намагничивается.
Чтобы стать намагниченными, домены внутри ядра должны выровняться с внешним
поле. Если направление поля меняется на противоположное, домены должны повернуться так, чтобы их
полюса выровнены с новым направлением внешнего поля.

Силовые трансформаторы обычно работают от переменного тока частотой 60 или 400 Гц.Каждый крошечный домен должен перестраиваться дважды в течение каждого цикла, или в общей сложности 120 раз в день.
секунды при использовании переменного тока частотой 60 Гц. Энергия, используемая для поворота каждого домена, равна
рассеивается в виде тепла внутри железного ядра. Эту потерю, называемую ГИСТЕРЕЗИСНЫМИ ПОТЕРЯМИ, можно считать
в результате молекулярного трения. Потеря гистерезиса может быть сведена к небольшому значению с помощью
правильный выбор основных материалов.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА

Для расчета КПД трансформатора, входной мощности и выходной мощности
от трансформатора должно быть известно.Входная мощность равна произведению напряжения
приложенный к первичной обмотке и ток в первичной обмотке. Выходная мощность равна
Произведение напряжения во вторичной обмотке и силы тока во вторичной обмотке. То
разница между входной мощностью и выходной мощностью представляет собой потерю мощности. Ты сможешь
рассчитать процент эффективности трансформатора, используя стандартный КПД
формула показана ниже:

Пример.Если входная мощность трансформатора 650 Вт, а выходная мощность 610 Вт.
Вт, какой КПД?

Таким образом, КПД составляет примерно 93,8%, при этом потребляемая мощность составляет примерно 40 Вт.
теряется из-за потерь тепла.

Q.23 Назовите три потери мощности в трансформаторе.
Q. 24 Входная мощность трансформатора составляет 1000 Вт, а выходная мощность — 500 Вт.
Каков КПД трансформатора, выраженный в процентах?

Трансформатор

А имеет первичное (входное) напряжение 310 В переменного тока и вторичное напряжение (выходное) 95 В переменного тока.Если входная мощность трансформатора 75 Вт, найти ток во вторичной обмотке.

Вопрос:

Трансформатор имеет первичное (входное) напряжение 310 В переменного тока и вторичное напряжение (выходное) 95 В переменного тока. Если входная мощность трансформатора 75 Вт, найти ток во вторичной обмотке.

Трансформаторы:

Это электрическое устройство, которое регулирует напряжение, ток и электрическую мощность между двумя катушками.Передача тока между двумя катушками трансформатора происходит из-за процесса взаимной индукции.

Ответ и объяснение:
1

Данные :

• Первичное напряжение трансформатора равно {eq}{V_p} = 310\;{\rm{V}}.

  {/экв}

• Вторичное напряжение трансформатора равно {eq}{V_s} = 95\;{\rm{V}}.

  {/экв}

• Первичная входная мощность трансформатора равна {eq}{P_p} = 75\;{\rm{W}}.{/экв}

Выражение для первичного тока трансформатора определяется выражением

{экв}\начало{выравнивание*}

{I_p} &= \frac{{{P_p}}}{{{V_p}}}\\

{I_p} &= \frac{{75\;{\rm{W}}}}{{310\;{\rm{V}}}} \times \frac{{1\;{\rm{A} }}}{{1\;{\rm{W/V}}}}\\

{I_p} &= 0,242\;{\rm{A}}

\конец{выравнивание*}

{/экв}

Используя соотношение между первичным и вторичным током трансформатора, выражение для тока во вторичной обмотке определяется следующим образом:

{экв}\начало{выравнивание*}

\frac{{{I_p}}}{{{I_s}}} &= \frac{{{V_s}}}{{{V_p}}}\\

{I_s} &= {I_p} \times \frac{{{V_p}}}{{{V_s}}}

\конец{выравнивание*}

{/экв}

Подставляя значения в приведенное выше выражение,

{экв}\начало{выравнивание*}

{I_s} &= 0.242\;{\rm{A}} \times \frac{{310\;{\rm{V}}}}{{95\;{\rm{V}}}}\\

{I_s} &= 0,79\;{\rm{A}}

\конец{выравнивание*}

{/экв}

Следовательно, ток во вторичной обмотке равен {eq}0,79\;{\rm{A}}.

{/экв}

трансформатор | Определение, типы и факты

Самые популярные вопросы

Что такое трансформатор?

Трансформатор представляет собой устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи переменного тока к одной или нескольким другим цепям, повышая (повышая) или уменьшая (понижая) напряжение.

Где используются трансформаторы?

Трансформаторы используются для самых разных целей. Например, трансформатор часто используется для снижения напряжения в обычных силовых цепях для работы низковольтных устройств и для повышения напряжения от электрогенераторов, чтобы можно было передавать электроэнергию на большие расстояния.

Почему железный сердечник трансформатора многослойный?

Железный сердечник трансформатора ламинирован для уменьшения вихревых токов.Вихревые токи — это небольшие токи, возникающие в результате изменения магнитного поля, создаваемого переменным током в первой катушке. Их необходимо свести к минимуму, чтобы они не мешали потоку электричества от первичной катушки к вторичной.

трансформатор , устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи переменного тока к одной или нескольким другим цепям, повышая (повышая) или уменьшая (понижая) напряжение. Трансформаторы используются для самых разных целей; е.г., снизить напряжение обычных силовых цепей для работы низковольтных устройств, таких как дверные звонки и игрушечные электропоезда, и поднять напряжение от электрогенераторов, чтобы можно было передавать электроэнергию на большие расстояния.

Трансформаторы изменяют напряжение за счет электромагнитной индукции; т. е. по мере того, как магнитные силовые линии (линии потока) нарастают и разрушаются при изменении тока, проходящего через первичную катушку, ток индуцируется в другой катушке, называемой вторичной.Вторичное напряжение рассчитывается путем умножения первичного напряжения на отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки, т. е. количество витков.

Трансформаторы с воздушным сердечником предназначены для передачи радиочастотных токов, т. е. токов, используемых для радиопередачи; они состоят из двух или более катушек, намотанных на твердый изолирующий материал или на форму изолирующей катушки. Трансформаторы с железным сердечником выполняют аналогичные функции в звуковом диапазоне частот.

Трансформаторы для согласования импеданса используются для согласования импеданса источника и его нагрузки для наиболее эффективной передачи энергии. Разделительные трансформаторы обычно используются из соображений безопасности, чтобы изолировать часть оборудования от источника питания.

Редакторы Британской энциклопедии
Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена ​​Адамом Августином.

Как правильно подобрать трансформатор

В отрасли HVAC мы обычно используем управляющие трансформаторы класса 2 для снижения напряжения до 30 вольт или менее с номинальной мощностью 100 ВА или менее.Это позволяет нам прокладывать низковольтную проводку вне корпуса без электрического кабелепровода.

Первичное напряжение — это входное напряжение, обычно 120, 208, 240 или 460 вольт. Вторичное напряжение или выходное напряжение обычно составляет от 24 до 30 вольт. Фактическое выходное напряжение будет зависеть от фактического первичного напряжения. Мощность трансформатора оценивается в ВА. ВА должна быть достаточно большой, чтобы справиться с требованиями к общей мощности управления, поэтому следует выбирать достаточно высокую ВА.

Чтобы правильно подобрать трансформатор, сначала необходимо выбрать первичное напряжение. Если первичное напряжение составляет 208 В, необходимо позаботиться о подключении только к основному ответвлению 208 В. Если первичное напряжение составляет 240 В, необходимо позаботиться о подключении только к основному отводу 240 В. 208 В, подключенное к отводу 240 В, приведет к низкому вторичному напряжению. Низкое вторичное напряжение вызовет дребезг контактора, реле или сбои. Это следует проверить при установке комплектного оборудования на 208/240 вольт.

Чтобы определить требуемую мощность трансформатора ВА, умножьте вторичное напряжение на требуемый ток: 

Например, ВА=Вольты x Амперы или 28В x 1.2 ампера = 33,6 ВА.

Чтобы определить максимальный ток трансформатора, разделите ВА трансформатора на вторичное напряжение трансформатора.

ампер = ВА/вторичное напряжение или 40 ВА/28 В = 1,43 ампера.

Трансформаторы рассчитаны на отказ в случае короткого замыкания во вторичной обмотке или на стороне управления. Если трансформатор вышел из строя, у вас, скорее всего, короткое замыкание или перегрузка где-то в цепи управления. Это следует найти и отремонтировать перед заменой трансформатора, так как трансформатор редко выходит из строя сам по себе.Встроенный предохранитель или трансформатор с автоматическим выключателем могут быть установлены для защиты нового трансформатора при обнаружении проблемы.

Вы домовладелец или владеете коммерческой недвижимостью? Посетите сайт mybryantdealer. com, чтобы найти ближайшего к вам дилера Bryant!

Трансформеры — Университетская физика Том 2

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Объяснить, почему электростанции передают электричество при высоком напряжении и низком токе и как они это делают
• Разработка взаимосвязей между током, напряжением и числом обмоток в повышающих и понижающих трансформаторах

Хотя электроэнергия переменного тока производится при относительно низком напряжении, она передается по линиям электропередачи при очень высоком напряжении (до 500 кВ).Одна и та же мощность может передаваться при различных напряжениях, потому что мощность является произведением (для простоты мы игнорируем фазовый коэффициент. Таким образом, конкретное требование мощности может быть удовлетворено при низком напряжении и высоком токе или при высоком напряжении и низком токе). Преимущество выбора высокого напряжения/слабого тока заключается в том, что это приводит к более низким омическим потерям в линиях передачи, которые могут быть значительными на линиях протяженностью в несколько километров ((Рисунок)).

Среднеквадратичное напряжение электростанции в конечном итоге должно быть снижено с 12 кВ до 240 В, чтобы его можно было безопасно ввести в дом.Высоковольтная линия электропередачи позволяет передавать слабый ток через подстанцию ​​на большие расстояния.

Обычно переменная ЭДС, создаваемая на электростанциях, «усиливается» до очень высокого напряжения перед передачей по линиям электропередач; затем их необходимо «понизить» до относительно безопасных значений (110 или 220 В, среднеквадратичное значение), прежде чем они будут введены в дома. Устройство, преобразующее напряжение из одного значения в другое с помощью индукции, называется трансформатором ((рисунок)).

Трансформаторы

используются для понижения высокого напряжения в линиях электропередачи до 110–220 В, используемого в домах. (кредит: модификация работы «Fortyseven»/Flickr)

Как показано на рисунке, трансформатор в основном состоит из двух отдельных катушек или обмоток, намотанных на сердечник из мягкого железа. Первичная обмотка имеет петли, или витки, и подключена к переменному напряжению. Вторичная обмотка имеет витки и подключена к нагрузочному резистору. Предположим, что все силовые линии магнитного поля ограничены сердечником, так что один и тот же магнитный поток пронизывает каждый виток как первичной, так и вторичной обмоток.Также пренебрегаем потерями энергии на магнитный гистерезис, на омический нагрев в обмотках и на омический нагрев наведенных вихревых токов в сердечнике. Хороший трансформатор может иметь потери всего 1% от передаваемой мощности, так что это неплохое предположение.

Повышающий трансформатор (во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной). Две обмотки намотаны на сердечник из мягкого железа.

Для анализа схемы трансформатора сначала рассмотрим первичную обмотку.Входное напряжение равно разности потенциалов, индуцированной на первичной обмотке. По закону Фарадея наведенная разность потенциалов равна где поток через один виток первичной обмотки. Таким образом,

Аналогично, выходное напряжение, подаваемое на нагрузочный резистор, должно равняться разности потенциалов, индуцированной на вторичной обмотке. Так как трансформатор идеальный, поток через каждый виток вторичной обмотки также и

Объединив последние два уравнения, мы получим

Следовательно, при соответствующих значениях входного напряжения может быть «повышено» или «понижено» () выходное напряжение.Это часто сокращается как уравнение трансформатора,

.

, который показывает, что отношение вторичных и первичных напряжений в трансформаторе равно отношению числа витков в их обмотках. Для повышающего трансформатора, повышающего напряжение и уменьшающего ток, это отношение больше единицы; для понижающего трансформатора, уменьшающего напряжение и увеличивающего ток, это отношение меньше единицы.

По закону сохранения энергии мощность, вводимая в любой момент в первичную обмотку, должна быть равна мощности, рассеиваемой на резисторе вторичной цепи; таким образом,

В сочетании с (Рисунок) это дает

Если напряжение увеличивается, ток уменьшается, и наоборот.

Наконец, мы можем использовать вместе с (Рисунок) и (Рисунок), чтобы получить

, который говорит нам, что входное напряжение «видит» не сопротивление, а скорее сопротивление

Наш анализ основан на мгновенных значениях напряжения и тока. Однако полученные уравнения не ограничиваются мгновенными значениями; они справедливы также для максимальных и среднеквадратичных значений.

Проверьте свое понимание Трансформатор понижает линейное напряжение со 110 до 9.0 В, чтобы к дверному звонку можно было подать ток 0,50 А. а) Каково соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток? б) Какова сила тока в первичной обмотке? в) Каково сопротивление источника 110 В?

а. 12:1; б. 0,042 А; в.

Резюме

• Электростанции передают высокое напряжение при малом токе для снижения омических потерь в своих многокилометровых линиях электропередачи.
• Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
• Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной катушках или обмотках связаны уравнением трансформатора.
• Токи в первичной и вторичной обмотках связаны количеством первичных и вторичных петель или витков в обмотках трансформатора.
• Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток, а понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

Концептуальные вопросы

Почему линии электропередачи работают при очень высоком напряжении, в то время как бытовые цепи работают при довольно низком напряжении?

Тепловые потери меньше, если линии передачи работают при малых токах и высоких напряжениях.

Как отличить первичную обмотку от вторичной в повышающем трансформаторе?

Аккумуляторы в некоторых электронных устройствах заряжаются с помощью адаптера, подключенного к настенной розетке. Подумайте о назначении адаптера.

Адаптер имеет понижающий трансформатор для более низкого напряжения и, возможно, более высокого тока, при котором устройство может работать.

Будет ли работать трансформатор, если на вход подается постоянное напряжение?

Почему первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны на один и тот же замкнутый стальной контур?

, чтобы каждая петля могла подвергаться одному и тому же изменяющемуся магнитному потоку

Проблемы

Повышающий трансформатор сконструирован так, что выходное напряжение его вторичной обмотки составляет 2000 В (среднеквадратичное значение) при подключении первичной обмотки к линейному напряжению 110 В (среднеквадратичное значение).а) Если в первичной обмотке 100 витков, то сколько витков во вторичной обмотке? б) Если резистор, подключенный к вторичной обмотке, потребляет среднеквадратичное значение тока 0,75 А, какова сила тока в первичной обмотке?

Повышающий трансформатор, подключенный к линии 110 В, используется для питания газоразрядной трубки водорода напряжением 5,0 кВ (среднеквадратичное значение). Лампа рассеивает 75 Вт мощности. а) Каково отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки? б) Каковы среднеквадратичные значения тока в первичной и вторичной обмотках? в) Каково эффективное сопротивление источника 110 В?

а.45:1; б. 0,68 А, 0,015 А; в.

Источник ЭДС переменного тока обеспечивает мощность 5,0 мВт при среднеквадратичном токе 2,0 мА, когда он подключен к первичной обмотке трансформатора. Среднеквадратичное значение напряжения на вторичной обмотке равно 20 В. а) Чему равны напряжение на первичной обмотке и сила тока во вторичной обмотке? б) Каково соотношение вторичных и первичных витков трансформатора?

Трансформатор используется для понижения напряжения 110 В от настенной розетки до 9,0 В для радиоприемника. а) Если в первичной обмотке 500 витков, то сколько витков во вторичной обмотке? б) Если радиоприемник работает при токе 500 мА, каков ток через первичную обмотку?

Трансформатор используется для питания модели поезда на 12 В питанием от настенной розетки на 110 В. Поезд работает с мощностью 50 Вт. а) Чему равно среднеквадратичное значение тока во вторичной обмотке трансформатора? б) Чему равно среднеквадратичное значение тока в первичной обмотке? в) Каково отношение числа первичных и вторичных витков? г) Чему равно сопротивление поезда? д) Каково сопротивление источника 110 В?

Дополнительные проблемы

Конденсатор емкостью 700 пФ подключен к источнику переменного тока с амплитудой напряжения 160 В и частотой 20 кГц. а) Определите емкостное сопротивление конденсатора и амплитуду выходного тока источника.(б) Если частоту изменить на 60 Гц при сохранении амплитуды напряжения на уровне 160 В, каковы емкостное реактивное сопротивление и амплитуда тока?

Катушка индуктивности 20 мГн подключена к источнику переменного тока с переменной частотой и постоянной амплитудой напряжения 9,0 В. (a) Определите реактивное сопротивление цепи и максимальный ток через катушку индуктивности при установленной частоте 20 кГц. . (b) Проведите те же расчеты для частоты 60 Гц.

а. ; б.

Конденсатор подключен к источнику переменного тока частотой 60 Гц, амплитуда напряжения которого составляет 50 В.а) Чему равен максимальный заряд конденсатора? б) Чему равен максимальный ток конденсатора? в) Каково фазовое соотношение между зарядом конденсатора и током в цепи?

Катушка индуктивности 7,0 мГн подключена к источнику переменного тока частотой 60 Гц с амплитудой напряжения 50 В. (а) Каков максимальный ток через катушку индуктивности? (b) Каково фазовое соотношение между током через катушку индуктивности и разностью потенциалов?

а. 19 А; б. индуктор ведет на

Каково сопротивление цепи серии RLC на резонансной частоте?

Чему равно сопротивление R в цепи, показанной ниже, если амплитуда переменного тока через индуктор равна 4.24 А?

Источник переменного тока с амплитудой напряжения 100 В и частотой 1,0 кГц питает цепь серии RLC с , , и . а) Определите среднеквадратичное значение тока в цепи. б) Каковы среднеквадратичные напряжения на трех элементах? в) Чему равен фазовый угол между ЭДС и током? г) Какова выходная мощность источника? д) Какова мощность, рассеиваемая на резисторе?

Генератор электростанции выдает 100 А при 15 кВ (среднеквадратичное значение).Трансформатор используется для повышения напряжения линии электропередачи до 150 кВ (среднеквадратичное значение). а) Чему равно среднеквадратичное значение тока в линии передачи? б) Если сопротивление на единицу длины линии равно, каковы потери мощности на метр линии? (c) Каковы были бы потери мощности на метр, если бы линейное напряжение было 15 кВ (среднеквадратичное значение)?

Рассмотрим электростанцию, расположенную в 25 км от города и поставляющую в город 50 МВт электроэнергии. Линии электропередач выполнены из алюминиевых тросов с площадью поперечного сечения.Найти потери мощности в линиях электропередачи, если она передается при 200 кВ (среднеквадратичное значение) (а) и 120 В (среднеквадратичное значение) (б).

а. ; б.

Для работы неоновых вывесок требуется напряжение 12 кВ. Трансформатор должен использоваться для изменения напряжения с 220 В (среднеквадратичное значение) переменного тока на 12 кВ (среднеквадратичное значение) переменного тока. Каким должно быть отношение витков вторичной обмотки к виткам первичной обмотки? б) Какой максимальный среднеквадратичный ток могут потреблять неоновые лампы, если предохранитель в первичной обмотке перегорает при токе 0,5 А? в) Сколько энергии потребляет неоновая вывеска, когда она потребляет максимальный ток, допустимый предохранителем в первичной обмотке?

Задачи-вызовы

Электроэнергия переменного тока напряжением 335 кВ от линии электропередачи подается на первичную обмотку трансформатора.Отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки равно . а) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка являются ответственными?

а. 335 МВ; б. результат слишком высок, намного превышает напряжение пробоя воздуха на разумных расстояниях; в. входное напряжение слишком высокое

Резистор и катушка индуктивности 30 мГн соединены последовательно, как показано ниже, к источнику питания переменного тока 120 В (среднеквадратичное значение), колеблющегося с частотой 60 Гц.а) Найдите силу тока в цепи. б) Найдите падение напряжения на резисторе и катушке индуктивности. в) Найдите полное сопротивление цепи. г) Найдите мощность, рассеиваемую на резисторе. д) Найдите мощность, рассеиваемую в катушке индуктивности. (е) Найдите мощность, производимую источником.

Найдите реактивные сопротивления следующих конденсаторов и катушек индуктивности в цепях переменного тока при данных частотах в каждом случае: а) катушки индуктивности 2 мГн при частоте сети переменного тока 60 Гц; б — дроссель 2 мГн при частоте сети переменного тока 600 Гц; в — индуктор 20 мГн при частоте сети переменного тока 6 Гц; г — индуктор 20 мГн при частоте сети переменного тока 60 Гц; д) конденсатор емкостью 2 мФ при частоте сети переменного тока 60 Гц; е) конденсатор емкостью 2 мФ на частоту 600 Гц цепи переменного тока.

Выходной импеданс аудиоусилителя имеет импеданс громкоговорителя с низким импедансом и не соответствует ему. Вас попросят вставить соответствующий трансформатор для согласования сопротивлений. Какое соотношение оборотов вы будете использовать и почему? Используйте упрощенную схему, показанную ниже.

Покажите, что единицей измерения емкостного сопротивления в системе СИ является ом. Покажите, что единицей СИ для индуктивного сопротивления также является ом.

Единицы, указанные для индуктивного сопротивления (рисунок), равны .Радианы можно игнорировать в модульном анализе. Генри можно определить как . Их объединение дает единицу реактивного сопротивления.

Катушка с собственной индуктивностью 16 мГн и сопротивлением подключена к источнику переменного тока, частота которого может изменяться. При какой частоте напряжение на катушке будет опережать ток через катушку на

Цепь серии RLC состоит из резистора, конденсатора и катушки индуктивности 120 мГн, катушка которой имеет сопротивление . Источник для цепи имеет среднеквадратичное значение ЭДС 240 В при частоте 60 Гц. Рассчитайте среднеквадратичное напряжение на резисторе (а), конденсаторе (б) и катушке индуктивности (в).

а. 156 В; б. 42 В; в. 154 В

Цепь серии RLC состоит из резистора, конденсатора и катушки индуктивности 50 мГн. Через комбинацию подключен источник переменной частоты 110 В (среднеквадратичное значение). Какова выходная мощность источника, если его частота равна половине резонансной частоты контура?

Глоссарий

понижающий трансформатор

трансформатор, уменьшающий напряжение и увеличивающий ток

Повышающий трансформатор

трансформатор, увеличивающий напряжение и уменьшающий ток

трансформатор

устройство, преобразующее напряжение из одного значения в другое с помощью индукции

уравнение трансформатора

уравнение, показывающее, что отношение вторичных и первичных напряжений в трансформаторе равно отношению числа витков в их обмотках

8.

2: Повышающие и понижающие трансформаторы

До сих пор мы наблюдали моделирование трансформаторов, 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 нечто интересное:

Обратите внимание, что вторичное напряжение примерно в десять раз меньше первичного напряжения (0.9962 вольта по сравнению с 10 вольтами), а вторичный ток примерно в десять раз больше (0,9962 мА по сравнению с 0,09975 мА). У нас есть устройство, которое понижает напряжение до в десять раз, а ток до в десять раз: (рисунок ниже)

Соотношение витков 10:1 дает соотношение первичных и вторичных напряжений 10:1 и соотношение первичных и вторичных токов 1:10.

Это действительно очень полезное устройство. С его помощью мы можем легко умножать или делить напряжение и ток в цепях переменного тока.Действительно, трансформатор сделал передачу электроэнергии на большие расстояния практической реальностью, поскольку напряжение переменного тока можно «увеличить», а ток «понизить» для снижения потерь мощности на сопротивление проводов вдоль линий электропередач, соединяющих генерирующие станции с нагрузками. На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузке) уровни напряжения снижаются с помощью трансформаторов для более безопасной работы и менее дорогого оборудования. Трансформатор, повышающий напряжение от первичной обмотки к вторичной (больше витков вторичной обмотки, чем витков первичной обмотки), называется повышающим трансформатором .И наоборот, трансформатор, предназначенный для противоположного действия, называется понижающим трансформатором .

Давайте еще раз посмотрим на фотографию, показанную в предыдущем разделе: (Рисунок ниже)

Поперечное сечение трансформатора с первичными и вторичными обмотками имеет высоту несколько дюймов (примерно 10 см).

Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое количество витков первичной обмотки и малое количество витков вторичной.В качестве понижающего устройства этот трансформатор преобразует низковольтную слаботочную мощность в низковольтную сильноточную. Провод большего сечения, используемый во вторичной обмотке, необходим из-за увеличения тока. Первичная обмотка, которая не должна проводить такой большой ток, может быть изготовлена ​​из провода меньшего сечения.

В случае, если вам интересно, можно использовать любой из этих типов трансформаторов в обратном направлении (запитывая вторичную обмотку от источника переменного тока, а первичная обмотка питает нагрузку) для выполнения противоположной функции: может работать повышающий как понижение и наоборот.Однако, как мы видели в первом разделе этой главы, эффективная работа трансформатора требует, чтобы индуктивности отдельных обмоток были спроектированы для конкретных рабочих диапазонов напряжения и тока, поэтому, если трансформатор будет использоваться «наоборот», он должен использоваться в пределах исходных проектных параметров напряжения и тока для каждой обмотки, чтобы она не оказалась неэффективной (или чтобы она не была повреждена чрезмерным напряжением или током!).

Трансформаторы часто конструируются таким образом, что не очевидно, какие провода ведут к первичной обмотке, а какие к вторичной.Одним из соглашений, используемых в электроэнергетике для облегчения путаницы, является использование обозначений «H» для обмотки более высокого напряжения (первичная обмотка в понижающем блоке; вторичная обмотка в повышающем) и «X». обозначения обмотки низшего напряжения. Поэтому простой силовой трансформатор будет иметь провода с маркировкой «H ₁ », «H ₂ », «X ₁ », и «X ₂ ». Обычно имеет значение нумерация проводов (H ₁ против H ₂ и т. д.), который мы рассмотрим чуть позже в этой главе.

Тот факт, что напряжение и ток изменяются в противоположных направлениях (одно вверх, другое вниз), имеет смысл, если вспомнить, что мощность равна напряжению, умноженному на ток, и понять, что трансформаторы не могут производить мощность, а только преобразовывать ее. . Любое устройство, которое могло бы выдавать больше энергии, чем оно потребляло, нарушило бы закон сохранения энергии в физике, а именно, что энергия не может быть создана или уничтожена, только преобразована. Как и в случае с первым примером трансформатора, который мы рассмотрели, эффективность передачи мощности от первичной обмотки к вторичной стороне устройства очень высока.

Практическая значимость этого становится более очевидной при рассмотрении альтернативы: до появления эффективных трансформаторов преобразование уровня напряжения/тока могло быть достигнуто только за счет использования моторно-генераторных установок. На чертеже мотор-генераторной установки показан основной принцип работы: (рисунок ниже)

Мотор-генератор иллюстрирует основной принцип работы трансформатора.

В такой машине двигатель механически соединен с генератором, генератор предназначен для выработки требуемых уровней напряжения и тока при 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 90% или меньше. Кроме того, поскольку двигатель-генераторные установки, очевидно, требуют движущихся частей, механический износ и балансировка являются факторами, влияющими как на срок службы, так и на производительность. Трансформаторы, с другой стороны, способны преобразовывать уровни переменного напряжения и тока с очень высокой эффективностью без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.

Справедливости ради следует отметить, что мотор-генераторные установки не обязательно устарели благодаря трансформаторам для всех приложений . Хотя трансформаторы явно превосходят электродвигатели/генераторы в отношении 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.Моторно-генераторные установки могут делать все это с относительной простотой, хотя и с уже описанными ограничениями эффективности и механическими факторами. Установки двигатель / генератор также обладают уникальным свойством накопления кинетической энергии: то есть, если питание двигателя на мгновение прерывается по какой-либо причине, его угловой момент (инерция этой вращающейся массы) будет поддерживать вращение генератора в течение короткого времени. , тем самым изолируя любые нагрузки, питаемые от генератора, от «глюков» в основной энергосистеме.

При внимательном рассмотрении чисел в анализе SPICE мы должны увидеть соответствие между коэффициентом трансформации трансформатора и двумя индуктивностями. Обратите внимание, 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 составляет 10:1. Обмотка с большей индуктивностью будет иметь более высокое напряжение и меньшую ток, чем другой. 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 двух катушек, одинаковы, за исключением количества витков в каждой катушке.Если мы еще раз посмотрим на нашу формулу индуктивности, мы увидим, что индуктивность пропорциональна квадрату числа витков катушки:

Итак, должно быть очевидно, что наши две катушки индуктивности в последней примерной схеме трансформатора SPICE — с отношением индуктивностей 100:1 — должны иметь соотношение витков катушки 10:1, потому что 10 в квадрате равно 100. Получается то же самое. отношение, которое мы нашли между первичными и вторичными напряжениями и токами (10:1), поэтому мы можем сказать, как правило, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен соотношению витков обмотки между первичной и вторичной обмотками.

Понижающий трансформатор: (много витков :мало витков).

Повышающий/понижающий эффект передаточного числа витка катушки в трансформаторе (рисунок выше) аналогичен передаточному отношению зубьев шестерни в механических зубчатых передачах, преобразовывая значения скорости и крутящего момента почти таким же образом: (рисунок ниже)

Зубчатая передача с редуктором крутящего момента понижает крутящий момент при увеличении скорости.

Повышающие и понижающие трансформаторы для целей распределения электроэнергии могут быть гигантскими по сравнению с силовыми трансформаторами, показанными ранее, некоторые блоки достигают высоты дома.На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около двенадцати футов: (рисунок ниже)

Трансформатор подстанции.

Обзор

• Трансформаторы «повышающие» или «понижающие» напряжения в зависимости от соотношения витков первичного и вторичного проводов.

• Трансформатор, предназначенный для повышения напряжения с первичной обмотки на вторичную, называется повышающим трансформатором . Трансформатор, предназначенный для понижения напряжения с первичной обмотки на вторичную, называется понижающим трансформатором .
• Коэффициент трансформации трансформатора будет равен квадратному корню из отношения его первичной и вторичной индуктивностей (L).

.