Step-up en Step-down Transformers

Tot nu toe hebben we simulaties van transformatoren waargenomen waarbij de primaire en secundaire wikkelingen identieke inductantie hadden, wat ongeveer gelijke spannings- en stroomniveaus in beide circuits opleverde. Gelijke spanning en stroom tussen de primaire en secundaire zijde van een transformator is echter niet de norm voor alle transformatoren.

Als de inductanties van de twee wikkelingen niet gelijk zijn, gebeurt er iets interessants:

transformator v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 10000 l2 3 5 100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rbelasting 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v(2,0) i(v1) .print ac v(3,5) i(vi1) .einde 

freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 9.975E-05 Primaire wikkeling freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E-01 9.962E-04 Secundaire wikkeling 

Merk op dat de secundaire spanning ongeveer tien keer lager is dan de primaire spanning (0,9962 volt vergeleken met 10 volt), terwijl de secundaire stroom ongeveer tien keer groter is (0,9962 mA vergeleken met 0,09975 mA).

Wat we hier hebben is een apparaat dat de spanning verlaagt met een factor tien en actueel omhoog met een factor tien:

Turnverhouding van 10:1 levert 10:1 primaire:secundaire spanningsverhouding en 1:10 primaire:secundaire stroomverhouding op.

Wat zijn step-up en step-down transformatoren?

Dit is inderdaad een heel handig apparaat. Hiermee kunnen we gemakkelijk spanning en stroom in wisselstroomcircuits vermenigvuldigen of delen. De transformator heeft de overdracht van elektrische stroom over lange afstanden een praktische realiteit gemaakt, aangezien wisselspanning kan worden "opgevoerd" en stroom "verlaagd" voor verminderde stroomverliezen in de draadweerstand langs hoogspanningslijnen die opwekkingsstations met belastingen verbinden.

Aan beide uiteinden (zowel de generator als bij de belastingen) worden de spanningsniveaus verlaagd door transformatoren voor een veiligere werking en goedkopere apparatuur.

Een transformator die de spanning van primair naar secundair verhoogt (meer secundaire wikkelingen dan primaire wikkelingen) wordt een step-up genoemd. transformator.

Omgekeerd wordt een transformator die is ontworpen om precies het tegenovergestelde te doen, een step-down . genoemd transformator.

Laten we een foto uit de vorige sectie opnieuw bekijken:

Transformatordoorsnede met primaire en secundaire wikkelingen is enkele centimeters lang (ongeveer 10 cm).

Dit is een step-down transformator, zoals blijkt uit het hoge aantal beurten van de primaire wikkeling en het lage aantal windingen van de secundaire. Als step-down-eenheid zet deze transformator hoogspannings-, laagstroomvermogen om in laagspannings-, hoogstroomvermogen.

De grotere draad die in de secundaire wikkeling wordt gebruikt, is nodig vanwege de toename van de stroom. De primaire wikkeling, die niet zoveel stroom hoeft te geleiden, kan zijn gemaakt van draad met een kleinere dikte.

Omkeerbaarheid van transformatorwerking

Voor het geval je het je afvroeg, het is mogelijk om een ​​van deze transformatortypes achterwaarts te laten werken (de secundaire wikkeling voeden met een wisselstroombron en de primaire wikkeling laten laden) om de tegenovergestelde functie uit te voeren:een step-up kan functioneren als een step-down en visa versa.

Zoals we echter in de eerste sectie van dit hoofdstuk hebben gezien, vereist een efficiënte werking van een transformator dat de individuele wikkelinductanties zijn ontworpen voor specifieke werkbereiken van spanning en stroom, dus als een transformator zo "achterwaarts" moet worden gebruikt, moet deze worden gebruikt binnen de oorspronkelijke ontwerpparameters van spanning en stroom voor elke wikkeling, opdat deze niet inefficiënt blijkt te zijn (of niet wordt beschadigd door te hoge spanning of stroom!).

Constructielabels voor transformatoren

Transformatoren zijn vaak zo geconstrueerd dat het niet duidelijk is welke draden naar de primaire wikkeling leiden en welke naar de secundaire. Een conventie die in de elektriciteitsindustrie wordt gebruikt om verwarring te helpen verlichten, is het gebruik van "H"-aanduidingen voor de hogerspanningswikkeling (de primaire wikkeling in een step-down-eenheid; de secundaire wikkeling in een step-up) en "X" aanduidingen voor de laagspanningswikkeling.

Daarom heeft een eenvoudige stroomtransformator draden met het label "H₁ ”, “H₂ ”, “X₁ ”, en “X₂ ”. Het is meestal van belang voor de nummering van de draden (H₁ versus H₂ , enz.), die we verderop in dit hoofdstuk zullen bespreken.

Praktische betekenis van step-up en step-down transformatoren

Het feit dat spanning en stroom in tegengestelde richtingen worden "getrapt" (de ene omhoog, de andere omlaag) is volkomen logisch als je je herinnert dat vermogen gelijk is aan spanning maal stroom, en je realiseert je dat transformatoren niet kunnen produceren vermogen, converteer het alleen.

Elk apparaat dat meer vermogen zou kunnen leveren dan het innam, zou de Wet van Energiebehoud schenden in de natuurkunde, namelijk dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, alleen kan worden omgezet. Net als bij het eerste voorbeeld van een transformator waar we naar keken, is de efficiëntie van de energieoverdracht zeer goed van de primaire naar de secundaire zijde van het apparaat.

De praktische betekenis hiervan wordt duidelijker wanneer een alternatief wordt overwogen:vóór de komst van efficiënte transformatoren kon conversie van spanning/stroomniveau alleen worden bereikt door het gebruik van motor-/generatorsets.

Een tekening van een motor/generatorset laat het basisprincipe zien:(figuur hieronder)

=

Motorgenerator illustreert het basisprincipe van de transformator.

In zo'n machine is een motor mechanisch gekoppeld aan een generator, de generator die is ontworpen om de gewenste niveaus van spanning en stroom te produceren bij de draaisnelheid van de motor.

Hoewel zowel motoren als generatoren redelijk efficiënte apparaten zijn, vergroot het gebruik van beide op deze manier hun inefficiënties, zodat het algehele rendement in het bereik van 90% of minder ligt. Omdat motor-/generatorsets uiteraard bewegende delen nodig hebben, zijn mechanische slijtage en balans factoren die zowel de levensduur als de prestaties beïnvloeden.

Transformatoren daarentegen zijn in staat om niveaus van wisselspanning en -stroom met zeer hoge efficiëntie om te zetten zonder bewegende delen, wat de wijdverbreide distributie en het gebruik van elektrische stroom mogelijk maakt die we als vanzelfsprekend beschouwen.

In alle eerlijkheid moet worden opgemerkt dat motor-/generatorsets niet per se voor alle door transformatoren zijn achterhaald toepassingen.

Hoewel transformatoren duidelijk superieur zijn aan motor-/generatorsets voor de conversie van wisselspanning en stroomniveau, kunnen ze de ene frequentie van wisselstroom niet omzetten in een andere, of (op zichzelf) gelijkstroom omzetten in wisselstroom of omgekeerd.

Motor-/generatorsets kunnen al deze dingen relatief eenvoudig doen, zij het met de beperkingen van efficiëntie en mechanische factoren die al zijn beschreven.

Motor-/generatorsets hebben ook de unieke eigenschap van kinetische energieopslag:dat wil zeggen, als de stroomtoevoer van de motor om welke reden dan ook tijdelijk wordt onderbroken, zal het impulsmoment (de traagheid van die roterende massa) de generator gedurende een korte tijd in stand houden , waardoor eventuele belastingen die door de generator worden aangedreven, worden geïsoleerd van "storingen" in het hoofdstroomsysteem.

Analyse van de werking van de step-up en step-down transformator

Als we goed kijken naar de cijfers in de SPICE-analyse, zouden we een overeenkomst moeten zien tussen de verhouding van de transformator en de twee inductanties. Merk op hoe de primaire inductor (l1) 100 keer meer inductantie heeft dan de secundaire inductor (10000 H versus 100 H), en dat de gemeten spanningsverlagingsverhouding 10 tot 1 was.

De wikkeling met meer inductantie heeft een hogere spanning en minder stroom dan de andere.

Aangezien de twee inductoren rond hetzelfde kernmateriaal in de transformator zijn gewikkeld (voor de meest efficiënte magnetische koppeling tussen de twee), zijn de parameters die van invloed zijn op de inductantie voor de twee spoelen gelijk, behalve het aantal windingen in elke spoel.

Als we onze inductantieformule nog eens bekijken, zien we dat inductantie evenredig is met het kwadraat van het aantal spoelwindingen:

Het zou dus duidelijk moeten zijn dat onze twee inductoren in het laatste SPICE-transformatorvoorbeeldcircuit - met inductantieverhoudingen van 100:1 - spoelomslagverhoudingen van 10:1 moeten hebben, omdat 10 kwadraat gelijk is aan 100.

Dit blijkt dezelfde verhouding te zijn die we hebben gevonden tussen primaire en secundaire spanningen en stromen (10:1), dus we kunnen in de regel zeggen dat de spannings- en stroomtransformatieverhouding gelijk is aan de verhouding van wikkelwindingen tussen primair en secundair.

Trap-down transformator:(vele omwentelingen :paar slagen).

Het step-up/step-down effect van spoelomwentelingsverhoudingen in een transformator is analoog aan tandwielverhoudingen in mechanische tandwielsystemen, waarbij de waarden van snelheid en koppel op vrijwel dezelfde manier worden getransformeerd:

Koppelverlagende tandwieltrein verlaagt koppel, terwijl de snelheid toeneemt.

Step-up en step-down transformatoren voor stroomdistributiedoeleinden kunnen gigantisch zijn in verhouding tot de eerder getoonde stroomtransformatoren, sommige eenheden staan ​​zo hoog als een huis. De volgende foto toont een onderstationtransformator van ongeveer drie meter hoog:

Substationtransformator.

BEOORDELING:

• Transformers "verhogen" of "verlagen" spanning volgens de verhoudingen van primaire tot secundaire draadwindingen.

• Een transformator die is ontworpen om de spanning van primair naar secundair te verhogen, wordt een step-up . genoemd transformator. Een transformator die is ontworpen om de spanning van primair naar secundair te verlagen, wordt een step-down . genoemd transformator.
• De transformatieverhouding van een transformator is gelijk aan de vierkantswortel van de verhouding tussen primaire en secundaire inductantie (L).

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Step-up, Step-down en isolatietransformatoren