Обозначение трансформатора на схеме
В электрических схемах очень часто возникает необходимость в повышении или понижении напряжения. Для выполнения таких преобразований существуют специальные устройства – трансформаторы. В конструкцию прибора входят обмотки в количестве две и более, намотанные на ферромагнитный сердечник. Поэтому обозначение трансформатора на схеме осуществляется, исходя из конкретной модели и конструктивных особенностей.
Основные типы и принцип действия трансформаторов
Существуют различные типы трансформаторов, отображаемые соответственно на электрических схемах. Например, при наличии только одной обмотки, такие устройства относятся к категории автотрансформаторов. Основные конструкции этих приборов, в зависимости от сердечника, бывают стержневые, броневые и тороидальные. Они имеют практически одинаковые технические характеристики и различаются лишь по способу изготовления. Каждое устройство, независимо от типа, состоит из трех основных функциональных частей – магнитопровода, обмоток и системы охлаждения.
Схематическое изображение трансформатора тесно связано с принципом его работы. Все особенности конструкции отражаются в электрической схеме. Очень хорошо просматривается первичная и вторичная обмотка. К первичной обмотке поступает ток от внешнего источника, а с вторичной обмотки снимается уже готовое выпрямленное напряжение. Преобразование тока происходит за счет переменного магнитного поля, возникающего в магнитопроводе.
Схематическое обозначение трансформаторов
Изображение трансформаторов на схемах определяется ГОСТами, разработанными еще при СССР. С незначительными изменениями и дополнениями они продолжают действовать и в настоящее время. В этом документе определены все известные виды трансформаторов, автотрансформаторов и их условные графические изображения, которые могут выполняться ручным способом или с помощью специальных компьютерных программ.
Условные графические изображения трансформаторов и автотрансформаторов могут быть построены тремя основными способами:
- Упрощенная однолинейная схема (чертеж 1) отображает трансформаторные обмотки в виде двух окружностей.
Их выводы показываются одной линией, на которую черточками наносится количество этих выводов. - Для автотрансформаторов предусмотрена развернутая дуга (чертеж 2), отображающая сторону более высокого напряжения.
- Упрощенные многолинейные обозначения обмоток трансформаторов и автотрансформаторов (чертежи 3 и 4) такие же, как и на однолинейных схемах.
Их выводы показываются одной линией, на которую черточками наносится количество этих выводов.Исключения составляют обозначения выводов обмоток, представленные в виде отдельных линий. Кроме того, существуют развернутые обозначения обмоток, изображаемые в виде полуокружностей, соединенных в цепочку (). В данной схеме не устанавливается число полуокружностей и направление выводов обмотки. Начало обмотки обозначается точкой .
В зависимости от конструкции, трансформаторы отображаются на схемах следующим образом: трансформатор без магнитопровода с постоянной связью (рисунок 1) и с переменной связью (рисунок 2). Полярность мгновенных значение напряжения (рисунок 3) представлена на примере трансформатора с двумя обмотками и указателями полярности.
Трансформаторы с магнитодиэлектрическими магнитопроводами обозначаются как обычный (рисунок 4) и подстраиваемый (рисунок 5).
Существуют и другие схематические обозначения, отображающие количество фаз, расположение отводов, тип соединения (звезда или треугольник) и другие параметры.
- Чертеж 1 – ступенчатое регулирование трансформатора.
- Чертеж 2 – однофазный трансформатор с ферромагнитным сердечником. Между обмотками имеется экран.
- Чертеж 3 – дифференциальный трансформатор. Местом отвода служит средняя точка одной из обмоток.
- Чертеж 4 – однофазный трансформатор с тремя обмотками и ферромагнитным сердечником.
- Чертеж 5 – трехфазный трансформатор с ферромагнитным сердечником. Соединение обмоток выполнено звездой. В одном из вариантов может быть вывод средней нейтральной точки.
- Чертеж 6 – трехфазное устройство с ферромагнитным магнитопроводом (сердечником). Соединение обмоток выполнено по схеме звезда-треугольник с выводом средней нейтральной точки.
- Чертеж 7 – трансформатор, рассчитанный на три фазы. Обмотки соединяются комбинированно методом звезды и зигзага с выводом средней точки.
- Чертеж 8 – тип устройства такой же, как и на предыдущих чертежах. Основное соединение – звезда, при необходимости регулировки под нагрузкой используется треугольник-звезда с выводом нейтральной точки.
- Чертеж 9 – три фазы, три обмотки, соединенные по схеме звезда-звезда.
- Чертеж 10 – схема вращающегося трансформатора. Таким способом обозначаются обмотки статора и ротора, соединенные между собой. Схема может меняться, в зависимости от конструкции и назначения машины.
- Чертеж 11 – типовое устройство, в котором одна обмотка соединена звездой, а две другие обмотки – обратными звездами. Из двух обмоток выведены нейтральные точки, соединенные с уравнительным дросселем.
- Чертеж 12 – группа трансформаторов, состоящая из трех однофазных устройств с двумя обмотками, соединенными по схеме звезда-треугольник.
- Чертеж 13 – схема однофазного автотрансформатора с ферромагнитным сердечником.
- Чертеж 14 – однофазный автотрансформатор с функцией регулировки напряжения.
- Чертеж 15 – трехфазный автотрансформатор с ферромагнитным сердечником и обмотками, соединенные звездой.
- Чертеж 16 – автотрансформатор на девять выводов.
- Чертеж 17 – однофазный автотрансформатор с третичной обмоткой.
Существуют и другие конструкции трансформаторных устройств, которые отображаются на электрических схемах:
- С одной вторичной обмоткой (рисунок 18).
- Две вторичные обмотки и один магнитопровод (рисунок 19).
- Два магнитопровода и две вторичные обмотки. Если магнитопроводов более двух, их можно не изображать (рисунок 20).
- Шинный трансформатор тока с нулевой последовательностью и катушкой подмагничивания (рисунок 21).
Обозначения схем и групп соединения обмоток трансформаторов
- Подробности
- Категория: Трансформаторы
- трансформатор
- схемы
- контакты и соединения
- обмотки
Схемы соединения обмоток трехфазного трансформатора обозначают в виде дроби, в числителе которой ставят обозначение схемы соединения обмотки ВН, а в знаменателе – обмотки НН.
При наличии третьей обмотки СН обозначение схемы соединения обмотки СН располагают между обозначениями схем соединения обмоток ВН и НН.
Таблица 1 – Обозначения типов трансформаторов
Автотрансформатор | А |
Число фаз: | |
трехфазный | Т |
однофазный | О |
С расщепленной обмоткой | Р |
Охлаждение: | |
естественное воздушное | С |
естественное масляное | М |
масляное с дутьем | Д |
масляное с дутьем и с принудительной циркуляцией масла | ДЦ |
масляно-водяное с естественной циркуляцией масла | МВ |
масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла | МВЦ |
масляно-водяное с принудительной циркуляцией воды и масла с направленным потоком масла | НЦ |
Трехобмоточный | Т |
Вид переключения ответвлений: | |
выполнение одной из обмоток с устройством регулирования | Н |
то же с автоматическим РПН | АН |
Особенность исполнения: | |
грозоупорное | Г |
защищенное | З |
усовершенствованное | У |
Для электрификации железных дорог | Ж(Э) |
Для собственных нужд электростанций | С |
Пример обозначения трансформатора: ТРДНС-40000/110 – трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой, охлаждение масляное с дутьем, с регулированием под напряжением, предназначенный для собственных нужд электростанций, мощностью 40 МВА, с обмоткой по высшему напряжению 110 кВ.
В обозначении новых трансформаторов буква Г опускается, поскольку все они исполняются грозоупорными. Некоторые трансформаторы 35 кВ в обозначении имеют букву А означающую изготовление обмотки из алюминия.
- Назад
- Вперёд
Трансформатор: уравнение, принципы и типы
Электрические опоры являются культовым символом системы электроснабжения в Великобритании. Они используются для передачи электроэнергии по всей стране. Однако, если вы попытаетесь зарядить свой телефон от кабелей, проложенных по пилонам, он взорвется! Это связано с тем, что электричество протекает по кабелям при чрезвычайно высоком напряжении. Чтобы использовать электричество в наших домах, необходимо снизить напряжение до уровня, подходящего для бытовых приборов. Это делается с помощью трансформаторы.
Определение трансформатора
Трансформаторы — это электрические устройства, которые передают электрическую энергию между цепями переменного тока и могут использоваться для повышения или понижения напряжения от одной цепи к другой.
Они основаны на том факте, что переменный ток в одной цепи создает магнитное поле, которое может индуцировать напряжение во второй цепи.
Схема трансформатора
Рис. 1: Зеленая пунктирная линия вокруг железного сердечника показывает, как переменное магнитное поле передается от первичной обмотки к вторичной обмотке. Викимедиа, CC-BY-SA 3.0
Все трансформаторы состоят из трех основных частей:
- Первичная обмотка – она подключена к первой цепи переменного тока, и напряжение на ней равно входному напряжению от цепи. Это напряжение называется \(V_p\) с нижним индексом, обозначающим «первичное».
- Вторичная катушка – она подключена ко второй цепи переменного тока и обеспечивает напряжение для второй цепи. Это напряжение называется \(V_s\) с нижним индексом, относящимся к «вторичному».
- Железный сердечник – соединяет две катушки, которые намотаны на противоположные стороны. Между двумя катушками нет электрического соединения, они соединены только железным сердечником.
Как работает трансформатор?
В цепи должен протекать переменный ток. Причину этого можно понять, рассмотрев пошаговое функционирование трансформатора:
- Через первичную обмотку проходит переменный ток от исходной цепи. Катушка представляет собой металл, поэтому она становится электромагнитом и создает переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле постоянно меняет направление.
- Изменяющееся магнитное поле переносится вокруг железного сердечника на вторичную катушку, как показано на рисунке выше.
- Когда переменное магнитное поле достигает вторичной катушки, в ней индуцируется ток, поскольку катушка действует как проводник.
Приведенные выше пункты показывают, почему нельзя использовать постоянный ток в первой цепи. Это создаст магнитное поле, равное , а не переменное . Поскольку магнитное поле не меняется, во вторичной обмотке не индуцируется ток и, следовательно, напряжение.
Зеленые пунктирные линии на приведенной выше диаграмме представляют линии магнитного поля, проходящие через железный сердечник.
Энергия первичной обмотки передается вторичной обмотке магнитным полем – электрические соединения отсутствуют. Это означает, что магнитное поле должно иметь возможность очень эффективно передаваться через сердечник.
Для этого необходимо использовать магнитомягкий материал, например, сплав железа с кремнием. Однако в реальных жизненных ситуациях часть начальной энергии всегда теряется из-за сопротивления проводов и железного сердечника, сопротивляющегося изменению магнитного поля.
Потеря энергии – большая проблема при работе с трансформаторами. На электростанциях используются массивные трансформаторы, и они часто содержатся в гигантских баках, так что сердечник и катушки полностью закрыты. Небольшое количество энергии теряется в виде тепла, и охлаждающая жидкость постоянно прокачивается вокруг баков для отвода тепла.
Формула трансформатора
Напряжение, выходящее из вторичной обмотки во внешнюю цепь, связано с отношением числа витков на обмотках трансформатора.
Используя символы для входного и выходного напряжения, как указано на предыдущей диаграмме, простая формула связывает количество витков на двух катушках с выходным напряжением:
$$\frac{N_p}{N_s}=\frac{V_p}{V_s}$$
\(N_p\) представляет количество витков на первичной обмотке и \(N_s\) то же самое на вторичной катушка. Уравнение очень простое и просто говорит о том, что отношение числа витков вторичной катушки к числу витков первичной катушки равно отношению выходного напряжения к входному напряжению.
Напряжение электричества \(V_p\), проходящего через опору, равно \(100\, \mathrm{kV}\). Напряжение необходимо уменьшить до \(250\, \mathrm{V}\), чтобы оно соответствовало уровню электроснабжения дома. Это можно сделать с помощью большого трансформатора. Конкретный трансформатор, используемый в этом случае, имеет \(N_p = 10\,000\) витков на первичной обмотке. Сколько витков должно быть на вторичной обмотке?
Для этого вопроса мы можем использовать приведенное выше уравнение преобразования:
$$\frac{N_p}{N_s}=\frac{V_p}{V_s}$$
Его можно переставить, чтобы получить:
$$N_s=N_p\frac{V_s}{V_p}$$
Значения, указанные в вопросе, затем можно подставить, чтобы найти количество витков вторичной обмотки:
$$N_s=10 \;000\frac{250\;\mathrm V}{100\;000\;\mathrm V}=25\;\mathrm{turns}$$
Итак, во вторичной обмотке 25 витков.
Типы трансформаторов
Есть два типа трансформаторов; повышающий и понижающий трансформаторы. Названия дают представление о том, что они делают: повышающие трансформаторы повышают напряжение от одной цепи переменного тока к другой, тогда как понижающие трансформаторы уменьшают напряжение.
Рис. 2: Повышающий трансформатор внутри микроволновой печи, Wikimedia CC SA 4.0.
Чтобы трансформатор повышал (повышал) напряжение от первой цепи к следующей, число витков вторичной обмотки должно быть больше, чем первичная обмотка. И наоборот, чтобы уменьшить (понизить) напряжение от одной цепи к другой, витки вторичной катушки должны быть меньше, чем на первичной катушке.
Примеры трансформаторов
Трансформаторы имеют множество полезных применений. И повышающие, и понижающие трансформаторы используются в разных ситуациях.
Национальная энергосистема
Электроэнергия поставляется по всей Великобритании от электростанций, которые передают электричество по высоковольтным силовым кабелям.
Национальная электросеть — это сеть кабелей, соединяющая все места Великобритании, нуждающиеся в электричестве.
Причина, по которой высокое напряжение используется для передачи электроэнергии, заключается в том, что это приводит к передаче такого же количества энергии с более низким током, протекающим по кабелям, что означает, что потеря энергии в виде тепла будет меньше . Энергия теряется, потому что сопротивление в проводах борется с током, и они нагреваются, что приводит к потере тепловой энергии в окружающую среду.
Схема, показывающая повышающий и понижающий трансформаторы, используемые в системе электропередачи в Северной Америке. Британская система очень похожа и работает при немного другом напряжении.
Высокое напряжение очень опасно, поэтому кабели, передающие электроэнергию, проложены высоко над землей на опорах, как показано на схеме выше.
Электростанции обычно производят электричество при \(25\, \mathrm{kV}\) .
Это увеличивается с помощью повышающих трансформаторов до напряжения до \(400\, \mathrm{кВ}\) для передачи по пилонам, а затем это напряжение уменьшается примерно до \(240\, \mathrm{В} \) как только высоковольтные кабели дойдут до нашей местной подстанции.
Бытовая техника
Радиоприемники и другие электронные устройства часто работают от сети. Однако их рабочее напряжение обычно намного ниже, чем \(240\, \mathrm{V}\)! В устройства встроены понижающие трансформаторы для снижения напряжения до подходящего уровня. С другой стороны, рабочее напряжение микроволновых печей выше, чем напряжение сети в домашнем хозяйстве, поэтому они также имеют внутри повышающий трансформатор для повышения напряжения.
Трансформатор – основные выводы
- Трансформаторы используются для увеличения или уменьшения входного напряжения на требуемую величину.
- Отношение числа витков первичной и вторичной катушек равно отношению их напряжений.
- Отсутствуют электрические соединения между первичной и вторичной обмотками. Они связаны только железным сердечником, и энергия передается между ними через переменные магнитные поля.
- Повышающие трансформаторы повышают напряжение, а понижающие трансформаторы понижают напряжение.
- Трансформаторы используются в национальной сети для повышения напряжения и повышения эффективности передачи электроэнергии от электростанций по всей стране.
Они связаны только железным сердечником, и энергия передается между ними через переменные магнитные поля.Ссылки
- ) лицензирован CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).
- Рис. 2: Caso SMG20 – Производство микроволновой печи MD MD-801EMR-1-0190 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Caso_SMG20_-_MD_Microwave_Oven_Manufacturing_MD-801EMR-1-0190.jpg) Раймонда Спеккинга (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Raymond) лицензировано CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
23.7 Трансформаторы – College Physics: OpenStax
Глава 23 Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии
Цели обучения
- Объяснить, как работает трансформатор.
- Рассчитать напряжение, ток и/или количество витков, зная другие величины.
Трансформаторы делают то, что следует из их названия — они преобразуют напряжение из одного значения в другое (используется термин напряжение, а не ЭДС, поскольку трансформаторы имеют внутреннее сопротивление). Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие бытовые приборы имеют трансформатор, встроенный в сменный блок (как на рис. 1), который преобразует переменное напряжение 120 или 240 В в любое напряжение, используемое устройством. Трансформаторы также используются в нескольких точках в системах распределения электроэнергии, например, как показано на рис. 2. Энергия передается на большие расстояния при высоком напряжении, потому что для заданной мощности требуется меньший ток, а это означает меньшие потери в линии, как это было раньше. обсуждалось ранее. Но высокое напряжение представляет большую опасность, поэтому для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя используются трансформаторы.
Закон индукции Фарадея для вторичной катушки дает ее индуцированное выходное напряжение [latex]\boldsymbol{V_s}[/latex] равным[латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{s}} = -N _{\textbf{s}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{\Delta \phi}{\Delta t}} ,[/латекс]
, где [латекс]\boldsymbol{N_{\textbf{s}}}[/латекс] — количество витков во вторичной обмотке, а [латекс]\boldsymbol{\Delta \phi / \;\Delta t}[/ латекс] — скорость изменения магнитного потока. Обратите внимание, что выходное напряжение равно ЭДС индукции ([латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{s}} = ЭДС _{\textbf{s}}}[/латекс]), при условии, что сопротивление катушки мало трансформаторы). Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому [латекс]\boldsymbol{\Delta \phi / \;\Delta t}[/latex] одинаково сторона. Входное первичное напряжение [латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{p}}}[/латекс] также связано с изменением потока на
[латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{p}} = -N _{\textbf{p}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{\Delta \phi}{\Delta t}} .
[/латекс]
Причина этого немного тоньше. Закон Ленца говорит нам, что первичная катушка противодействует изменению потока, вызванному входным напряжением [латекс]\жирный символ{V _{\textbf{p}}}[/латекс], поэтому знак минус (это пример собственная индуктивность , эта тема будет подробно рассмотрена в следующих разделах). Предполагая пренебрежимо малое сопротивление катушки, петлевое правило Кирхгофа говорит нам, что ЭДС индукции точно равна входному напряжению. Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:
[латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/latex] [латекс]\ жирный символ {\ гидроразрыва {N _ {\ textbf {s}}} {N _ {\ textbf {p}}}} [/латекс].
Это известно как уравнение трансформатора , и оно просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в его катушках.
Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их обмотках.
Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменную мощность, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки. А 9Повышающий трансформатор 0003 увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение. Предполагая, как и мы, что сопротивление пренебрежимо мало, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной мощности. На практике это почти так — КПД трансформатора часто превышает 99%. Приравнивание входной и выходной мощности,
[латекс] \boldsymbol {P _ {\ textbf {p}} = I _ {\ textbf {p}} V _ {\ textbf {p}} = I _ {\ textbf {s}} V _ {\ textbf {s}} = P_{\textbf{s}}}.[/латекс]
Перестановка терминов дает
[латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/latex] [латекс]\ жирный символ {\ гидроразрыва {I _ {\ textbf {p}}} {I _ {\ textbf {s}}}} [/латекс].
В сочетании с [латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V _{\textbf{p}}} = \frac{N _{\textbf{s}}}{N _{\textbf {p}}}}[/latex], мы находим, что
[латекс]\boldsymbol{\frac{I _{\textbf{s}}}{I _{\textbf{p}}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/latex] [латекс]\ жирный символ {\ гидроразрыва {N _ {\ textbf {p}}} {N _ {\ textbf {s}}}} [/ латекс]
— соотношение между выходным и входным токами трансформатора.
Таким образом, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.
Пример 1: Расчет характеристик повышающего трансформатора
Портативный рентгеновский аппарат имеет повышающий трансформатор, входное напряжение которого 120 В преобразуется в выходное напряжение 100 кВ, необходимое для рентгеновской трубки. Первичная обмотка имеет 50 витков и при использовании потребляет ток 10,00 А. а) Сколько петель во вторичном? (b) Найдите текущий выход вторичной обмотки.
Стратегия и решение для (a)
Решаем [латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}} = \frac{N_{\ textbf{s}}}{N_{\textbf{p}}}}[/latex] for [latex]\boldsymbol{N_{\textbf{s}}}[/latex], количество петель во вторичном, и введите известные значения. Это дает
[латекс]\begin{array}{r @{{}={}} l} \boldsymbol{N _{\textbf{s}}} & \boldsymbol{N _{\textbf{p}} \frac {V_{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}} \\[1em] & \boldsymbol{(50) \frac{100,000 \;\textbf{V}}{120 \;\ textbf{V}} = 4,17 \× 10^4}.
\end{массив}[/латекс]
Обсуждение для (a)
Для создания такого большого напряжения требуется большое количество витков во вторичной обмотке (по сравнению с первичной). Это верно для трансформаторов неоновых вывесок и тех, которые обеспечивают высокое напряжение внутри телевизоров и ЭЛТ.
Стратегия и решение для (b)
Точно так же мы можем найти выходной ток вторичной обмотки, решив [латекс]\boldsymbol{\frac{I _{\textbf{s}}}{I _{\textbf{p }}} = \frac{N_{\textbf{p}}}{N_{\textbf{s}}}}[/latex] для [латекса]\boldsymbol{I_{\textbf{s}}}[/latex ] и ввод известных значений. Это дает 94} = 12,0 \;\textbf{мА}} \end{массив}[/latex].
Обсуждение для (b)
Как и ожидалось, ток на выходе значительно меньше, чем на входе. В некоторых впечатляющих демонстрациях для создания длинных дуг используются очень большие напряжения, но они относительно безопасны, поскольку выход трансформатора не обеспечивает большой ток.
Обратите внимание, что потребляемая мощность здесь равна [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{p}} = I_{\textbf{p}} V_{\textbf{p}} =(10,00 \;\textbf{A})( 120 \;\textbf{В}) = 1,20 \;\textbf{кВт}}[/латекс]. Это равно выходной мощности [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{p}} = I_{\textbf{s}} V_{\textbf{s}} =(12,0 \;\textbf{мА})(100 \ ;\textbf{кВ}) = 1,20 \;\textbf{кВт}}[/latex], как мы и предполагали при выводе используемых уравнений.
Тот факт, что трансформаторы основаны на законе индукции Фарадея, проясняет, почему мы не можем использовать трансформаторы для изменения постоянного напряжения. Если первичное напряжение не меняется, то и вторичное напряжение не индуцируется. Одна из возможностей состоит в том, чтобы подключить постоянный ток к первичной катушке через переключатель. Когда переключатель размыкается и замыкается, вторичная обмотка создает напряжение, подобное изображенному на рис. 4. На самом деле это непрактичная альтернатива, и переменный ток широко используется везде, где необходимо повысить или понизить напряжение.
Пример 2. Расчет характеристик понижающего трансформатора
Зарядное устройство, предназначенное для последовательного соединения десяти никель-кадмиевых аккумуляторов (суммарная ЭДС 12,5 В постоянного тока), должно иметь выходное напряжение 15,0 В для зарядки аккумуляторов. В нем используется понижающий трансформатор с 200-контурной первичной обмоткой и входным напряжением 120 В. а) Сколько витков должно быть во вторичной обмотке? (б) Если зарядный ток равен 16,0 А, каков входной ток?
Стратегия и решение для (a)
Можно ожидать, что вторичный узел будет иметь небольшое количество циклов. Решение [латекс]\boldsymbol{\frac{V_s}{V_{\textbf{p}}} = \frac{N_{\textbf{s}}}}{N_{\textbf{p}}}}[/latex] и ввод известных значений дает
[латекс]\begin{array}{r @{{}={}} l} \boldsymbol{N _{\textbf{s}}} & \boldsymbol{N _{\textbf{p} } \frac{V_{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}} \\[1em] & \boldsymbol{(200) \frac{15.
0 \;\textbf{V}}{120 \;\textbf{V}} = 25}. \end{массив}[/латекс]
Стратегия и решение для (b)
Текущие входные данные можно получить, решив [латекс]\boldsymbol{\frac{I _{\textbf{s}}}{I_{\textbf{p}}} = \frac{N_{\textbf{p}}}{N_{\textbf{s}}}}[/latex] для [латекса]\boldsymbol{I_{\textbf{p}}}[/latex] и вводом известных ценности. Это дает
[латекс]\begin{array}{r @{{}={}} l} \boldsymbol{I _{\textbf{p}}} & \boldsymbol{I _{\textbf{s}} \frac {N_{\textbf{s}}}{N_{\textbf{p}}}} \\[1em] & \boldsymbol{(16,0 \;\textbf{A}) \frac{25}{200} = 2,00 \;\textbf{А}}. \end{массив}[/латекс]
Обсуждение
Количество витков во вторичной обмотке мало, как и положено для понижающего трансформатора. Мы также видим, что небольшой входной ток создает больший выходной ток в понижающем трансформаторе. Когда трансформаторы используются для работы с большими магнитами, они иногда имеют небольшое количество очень тяжелых петель во вторичной обмотке. Это позволяет вторичной обмотке иметь низкое внутреннее сопротивление и производить большие токи.
Еще раз обратите внимание, что это решение основано на предположении о 100% эффективности, или выходная мощность равна входной мощности ([latex]\boldsymbol{P_{\textbf{p}} = P_{\textbf{s}}}[/latex] ) — разумно для хороших трансформаторов. В этом случае первичная и вторичная мощность составляет 240 Вт. (Убедитесь в этом сами для проверки стабильности.) Обратите внимание, что никель-кадмиевые аккумуляторы необходимо заряжать от источника постоянного тока (как и аккумулятор на 12 В). Таким образом, выход переменного тока вторичной катушки необходимо преобразовать в постоянный. Это делается с помощью чего-то, называемого выпрямителем, в котором используются устройства, называемые диодами, которые пропускают ток только в одном направлении.
имеют множество применений в системах электробезопасности, которые обсуждаются в главе 23.7 Электробезопасность: системы и устройства.
PhET Исследования: Генератор
Генерировать электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.
- Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
- Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной обмотках связаны соотношением
[латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}}[/latex][латекс]\boldsymbol{=}[/latex][латекс]\ жирный символ {\ гидроразрыва {N _ {\ textbf {s}}} {N _ {\ textbf {p}}}}, [/ латекс]
, где [latex]\boldsymbol{V_{\textbf{p}}}[/latex] и [latex]\boldsymbol{V_{\textbf{s}}}[/latex] — напряжения на первичной и вторичной обмотках, имеющих [латекс]\boldsymbol{N _{\textbf{p}}}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol{N _{\textbf{s}}}[/латекс] повороты.
- Токи [latex]\boldsymbol{I_{\textbf{p}}}[/latex] и [latex]\boldsymbol{I_{\textbf{s}}}[/latex] в первичной и вторичной обмотках связаны by [латекс] \boldsymbol {\ frac {I _ {\ textbf {s}}} {I _ {\ textbf {p}}} = \ frac {N _ {\ textbf {p}}} {N _ {\ textbf {s} }}}[/латекс]
- Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток, а понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.
Задачи и упражнения
1: Подключаемый трансформатор, подобный изображенному на рис. 4, питает 90,00 В для системы видеоигр. а) Сколько витков во вторичной обмотке, если входное напряжение 120 В, а в первичной обмотке 400 витков? (б) Каков его входной ток, когда его выходной ток равен 1,30 А?
2: Американка, путешествующая по Новой Зеландии, везет с собой трансформатор для преобразования стандартных новозеландских 240 В в 120 В, чтобы в поездке она могла пользоваться небольшими бытовыми приборами. а) Каково соотношение витков в первичной и вторичной обмотках ее трансформатора? б) Каково отношение входного тока к выходному? (c) Как новозеландка, путешествующая по Соединенным Штатам, могла использовать этот же трансформатор для питания своих приборов на 240 В от 120 В?
3: В кассетном магнитофоне используется сменный трансформатор для преобразования 120 В в 12,0 В с максимальным выходным током 200 мА.
а) Каков текущий вход? б) Какова потребляемая мощность? (c) Разумно ли такое количество энергии для небольшого электроприбора?
4: (a) Каково выходное напряжение трансформатора, используемого для аккумуляторных батарей для фонарей, если его первичная обмотка имеет 500 витков, вторичная 4 витка, а входное напряжение составляет 120 В? (b) Какой входной ток необходим для получения выходного тока 4,00 А? в) Какова потребляемая мощность?
5: (a) Съемный трансформатор для портативного компьютера выдает 7,50 В и может обеспечивать максимальный ток 2,00 А. Каков максимальный входной ток, если входное напряжение составляет 240 В? Предположим, что эффективность 100%. (b) Если фактический КПД меньше 100%, должен ли входной ток быть больше или меньше? Объяснять.
6: Универсальный трансформатор имеет вторичную обмотку с несколькими точками, в которых может сниматься напряжение, что дает выходное напряжение 5,60, 12,0 и 480 В.
(a) Входное напряжение составляет 240 В для первичной обмотки 280 В. повороты. Какое количество витков в частях вторичной обмотки используется для создания выходных напряжений? (b) Если максимальный входной ток равен 5,00 А, каковы максимальные выходные токи (каждый из которых используется отдельно)?
7: Крупная электростанция вырабатывает электроэнергию на 12,0 кВ. Его старый трансформатор когда-то преобразовывал напряжение в 335 кВ. Вторичная часть этого трансформатора заменяется, чтобы его мощность могла составлять 750 кВ для более эффективной передачи по пересеченной местности по модернизированным линиям электропередачи. а) Каково соотношение витков в новой вторичной обмотке по сравнению со старой вторичной обмоткой? (б) Каково отношение новой мощности по току к старой мощности (на 335 кВ) для той же мощности? (c) Если модернизированные линии электропередачи имеют одинаковое сопротивление, каково отношение потерь мощности в новой линии к потерям мощности в старой?
8: Если выходная мощность в предыдущей задаче равна 1000 МВт, а сопротивление линии равно [латекс]\boldsymbol{2,00 \;\Омега}[/латекс], каковы были потери в старой и новой линии?
9: Необоснованные результаты
Электричество 335 кВ переменного тока от линии электропередачи подается в первичную катушку трансформатора.
Отношение количества витков во вторичной обмотке к числу витков в первичной равно [латекс]\жирный символ{N _{\textbf{s}}/N _{\textbf{p}} =1000}[/латекс]. а) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка являются ответственными?
10: Создайте свою собственную задачу
Рассмотрим двойной трансформатор, который будет использоваться для создания очень больших напряжений. Устройство состоит из двух ступеней. Первый — это трансформатор, который выдает гораздо большее выходное напряжение, чем его входное. Выход первого трансформатора используется как вход для второго трансформатора, который дополнительно увеличивает напряжение. Постройте задачу, в которой вы рассчитываете выходное напряжение конечного каскада на основе входного напряжения первого каскада и количества витков или петель в обеих частях обоих трансформаторов (всего четыре катушки). Также рассчитайте максимальный выходной ток конечной ступени на основе входного тока.