Aufwärts- und Abwärtstransformatoren

freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 9.975E-05 Primärwicklung Frequenz v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E-01 9.962E-04 Sekundärwicklung 

Beachten Sie, dass die Sekundärspannung ungefähr zehnmal geringer ist als die Primärspannung (0,9962 Volt im Vergleich zu 10 Volt), während der Sekundärstrom ungefähr zehnmal größer ist (0,9962 mA im Vergleich zu 0,09975 mA).

Was wir hier haben, ist ein Gerät, das die Spannung senkt um den Faktor zehn und aktuell nach oben um den Faktor zehn:

Das Übersetzungsverhältnis von 10:1 ergibt ein primäres:sekundäres Spannungsverhältnis von 10:1 und ein primäres:sekundäres Stromverhältnis von 1:10.

Was sind Step-up- und Step-down-Transformatoren?

Dies ist in der Tat ein sehr nützliches Gerät. Damit können wir Spannung und Strom in Wechselstromkreisen leicht multiplizieren oder teilen. Tatsächlich hat der Transformator die Übertragung von elektrischem Strom über lange Distanzen zu einer praktischen Realität gemacht, da Wechselspannung „hochgesetzt“ und Strom „heruntergesetzt“ werden kann, um die Leistungsverluste des Drahtwiderstands entlang der Stromleitungen, die Kraftwerke mit Verbrauchern verbinden, zu reduzieren.

An beiden Enden (sowohl am Generator als auch an den Lasten) werden die Spannungspegel durch Transformatoren für einen sichereren Betrieb und kostengünstigere Geräte reduziert.

Ein Transformator, der die Spannung von der Primärseite zur Sekundärseite erhöht (mehr Sekundärwicklungswindungen als Primärwicklungswindungen) wird als Aufwärtswandler bezeichnet Transformator.

Umgekehrt wird ein Transformator, der genau das Gegenteil bewirkt, als Abstieg bezeichnet Transformator.

Sehen wir uns ein Foto aus dem vorherigen Abschnitt noch einmal an:

Der Querschnitt des Transformators, der die Primär- und Sekundärwicklung zeigt, ist einige Zoll groß (ca. 10 cm).

Dies ist ein Abwärtstransformator, was durch die hohe Windungszahl der Primärwicklung und die niedrige Windungszahl der Sekundärwicklung belegt wird. Als Abwärtswandler wandelt dieser Transformator Hochspannungs-Niederstromleistung in Niederspannungs-Hochstromleistung um.

Der in der Sekundärwicklung verwendete Draht mit größerem Durchmesser ist aufgrund der Stromerhöhung erforderlich. Die Primärwicklung, die weniger Strom führen muss, kann aus dünnerem Draht bestehen.

Umkehrbarkeit des Transformatorbetriebs

Falls Sie sich fragen, es ist ist Es ist möglich, einen dieser Transformatortypen rückwärts zu betreiben (die Sekundärwicklung mit einer Wechselstromquelle zu versorgen und die Primärwicklung eine Last zu versorgen), um die entgegengesetzte Funktion auszuführen:ein Aufwärtswandler kann als Abwärtswandler funktionieren und umgekehrt.

Wie wir im ersten Abschnitt dieses Kapitels gesehen haben, erfordert der effiziente Betrieb eines Transformators jedoch, dass die einzelnen Wicklungsinduktivitäten für bestimmte Betriebsbereiche von Spannung und Strom ausgelegt sind innerhalb der ursprünglichen Konstruktionsparameter von Spannung und Strom für jede Wicklung verwendet werden, damit sie sich nicht als ineffizient erweisen (oder nicht beschädigt werden). durch zu hohe Spannung oder Strom!).

Transformator-Konstruktionsetiketten

Transformatoren werden oft so konstruiert, dass nicht ersichtlich ist, welche Adern zur Primärwicklung und welche zur Sekundärwicklung führen. Eine Konvention, die in der Elektrizitätsindustrie verwendet wird, um Verwirrung zu vermeiden, ist die Verwendung von „H“-Bezeichnungen für die Wicklung mit höherer Spannung (die Primärwicklung in einer Untersetzungseinheit; die Sekundärwicklung in einer Überspannung) und „X“. Bezeichnungen für die Unterspannungswicklung.

Daher hat ein einfacher Leistungstransformator Drähte mit der Bezeichnung „H₁ . “, „H₂ “, „X₁ “ und „X₂ “. Es ist normalerweise für die Nummerierung der Drähte von Bedeutung (H₁ im Vergleich zu H₂ , etc.), die wir etwas später in diesem Kapitel untersuchen werden.

Praktische Bedeutung von Step-Up- und Step-Down-Transformatoren

Die Tatsache, dass Spannung und Strom in entgegengesetzte Richtungen „gestuft“ werden (eine nach oben, die andere nach unten), macht absolut Sinn, wenn Sie sich daran erinnern, dass Leistung gleich Spannung mal Strom ist und sich bewusst ist, dass Transformatoren nicht produzieren können Macht, nur umwandeln.

Jedes Gerät, das mehr Leistung abgeben könnte, als es aufgenommen hat, würde gegen das Gesetz zur Energieeinsparung verstoßen in der Physik, nämlich dass Energie nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann. Wie beim ersten Transformatorbeispiel, das wir uns angesehen haben, ist die Leistungsübertragungseffizienz von der Primär- zur Sekundärseite des Geräts sehr gut.

Die praktische Bedeutung wird deutlicher, wenn eine Alternative in Betracht gezogen wird:Vor dem Aufkommen effizienter Transformatoren konnte eine Spannungs-Strom-Umwandlung nur durch den Einsatz von Motor-Generator-Sets erreicht werden.

Eine Zeichnung eines Motor-Generator-Satzes zeigt das Grundprinzip:(Abbildung unten)

=

Motorgenerator veranschaulicht das Grundprinzip des Transformators.

Bei einer solchen Maschine ist ein Motor mechanisch mit einem Generator gekoppelt, wobei der Generator so ausgelegt ist, dass er die gewünschten Spannungs- und Stromwerte bei der Drehzahl des Motors erzeugt.

Während sowohl Motoren als auch Generatoren ziemlich effiziente Geräte sind, verstärkt die Verwendung von beiden auf diese Weise ihre Ineffizienz, so dass der Gesamtwirkungsgrad im Bereich von 90% oder weniger liegt. Da außerdem Motor-/Generatorsätze offensichtlich bewegliche Teile erfordern, sind mechanischer Verschleiß und Auswuchtung Faktoren, die sowohl die Lebensdauer als auch die Leistung beeinflussen.

Transformatoren hingegen sind in der Lage, Wechselspannungen und -ströme mit sehr hohem Wirkungsgrad ohne bewegliche Teile umzuwandeln, was die weit verbreitete Verteilung und Nutzung von elektrischem Strom für uns selbstverständlich ermöglicht.

Der Fairness halber sei darauf hingewiesen, dass Motor-/Generatorsätze nicht unbedingt durch Transformatoren für alle . ersetzt wurden Anwendungen.

Während Transformatoren Motoren/Generator-Sets bei der Umwandlung von Wechselspannung und Stromstärke deutlich überlegen sind, können sie nicht eine Frequenz von Wechselstrom in eine andere umwandeln oder (allein) Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt umwandeln.

Motor/Generator-Sets können all diese Dinge relativ einfach tun, wenn auch mit den bereits beschriebenen Beschränkungen der Effizienz und der mechanischen Faktoren.

Motor-/Generatorsätze haben auch die einzigartige Eigenschaft der kinetischen Energiespeicherung:Das heißt, wenn die Stromversorgung des Motors aus irgendeinem Grund vorübergehend unterbrochen wird, hält sein Drehimpuls (die Trägheit dieser rotierenden Masse) die Rotation des Generators für kurze Zeit aufrecht , wodurch alle vom Generator gespeisten Lasten von „Störungen“ im Hauptstromnetz isoliert werden.

Analyse des Step-up- und Step-down-Transformatorbetriebs

Wenn wir uns die Zahlen in der SPICE-Analyse genau ansehen, sollten wir eine Übereinstimmung zwischen dem Verhältnis des Transformators und den beiden Induktivitäten sehen. Beachten Sie, dass die Primärinduktivität (l1) eine 100-mal höhere Induktivität aufweist als die Sekundärinduktivität (10000 H gegenüber 100 H) und dass das gemessene Spannungsabwärtsverhältnis 10 zu 1 betrug.

Die Wicklung mit mehr Induktivität hat eine höhere Spannung und weniger Strom als die andere.

Da die beiden Induktoren im Transformator um das gleiche Kernmaterial gewickelt sind (für die effizienteste magnetische Kopplung zwischen den beiden), sind die Parameter, die die Induktivität für die beiden Spulen beeinflussen, bis auf die Anzahl der Windungen in jeder Spule gleich.

Wenn wir unsere Induktivitätsformel noch einmal betrachten, sehen wir, dass die Induktivität proportional zum Quadrat . ist der Anzahl der Spulenwindungen:

Es sollte also offensichtlich sein, dass unsere beiden Induktivitäten in der letzten SPICE-Transformator-Beispielschaltung – mit Induktivitätsverhältnissen von 100:1 – Spulenwindungsverhältnisse von 10:1 haben sollten, da 10 zum Quadrat gleich 100 ist.

Daraus ergibt sich das gleiche Verhältnis, das wir zwischen Primär- und Sekundärspannungen und -strömen (10:1) gefunden haben, so dass wir in der Regel sagen können, dass das Spannungs- und Stromübersetzungsverhältnis gleich dem Verhältnis der Wicklungswindungen zwischen Primär- und Sekundärwicklung ist.

Abwärtstransformator:(viele Umdrehungen:wenige Umdrehungen).

Der Aufwärts-/Abwärtseffekt der Spulenwindungsverhältnisse in einem Transformator ist analog zu den Verzahnungsverhältnissen in mechanischen Getriebesystemen und transformiert die Werte von Drehzahl und Drehmoment auf ähnliche Weise:

Drehmomentreduzierendes Getriebe reduziert das Drehmoment, während die Geschwindigkeit erhöht wird.

Aufwärts- und Abwärtstransformatoren für die Stromverteilung können im Verhältnis zu den zuvor gezeigten Leistungstransformatoren gigantisch sein, einige Einheiten sind so hoch wie ein Haus. Das folgende Foto zeigt einen etwa zwölf Fuß hohen Umspanntransformator:

Umspannwerktransformator.

RÜCKBLICK:

• Transformatoren erhöhen oder senken die Spannung entsprechend dem Verhältnis von Primär- zu Sekundärdrahtwindungen.

• Ein Transformator, der die Spannung von der Primär- zur Sekundärseite erhöhen soll, wird als Aufwärtswandler bezeichnet Transformator. Ein Transformator, der die Spannung von der Primärseite zur Sekundärseite reduziert, wird als Abwärtswandler bezeichnet Transformator.
• Das Übersetzungsverhältnis eines Transformators entspricht der Quadratwurzel seines primären zu sekundären Induktivitätsverhältnisses (L).

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Step-up-, Step-down- und Isolationstransformatoren