Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации трансформатора — это величина, выражающая масштабирующую (преобразовательную) характеристику трансформатора относительно какого-нибудь параметра электрической цепи (напряжения, силы тока, сопротивления и т. д.).

Содержание

1 Общие сведения
2 Дополнительные сведения
- 2.1 Особенность учета витков

Общие сведения

Термин «масштабирование» используется в описании вместо термина «преобразование» с целью акцентировать внимание на том, что трансформаторы не преобразовывают один вид энергии в другой, и даже не один из параметров электрической сети в другой параметр (как иногда привыкли говорить о преобразовании, например, напряжения в ток понижающими трансформаторами). Преобразование — это всего лишь изменение значения какого-либо из параметров цепи в сторону увеличения или уменьшения. И хотя такие преобразования затрагивают практически все параметры электроцепи, принято выделять из них самый «главный» и с ним связывать термин коэффициента трансформации. Это выделение обосновывается функциональным назначением трансформатора, схемой включения к питающей стороне и т. д.

Масштабирование напряжения

Для трансформаторов с параллельным подключением первичной обмотки к источнику энергии интересует, как правило, масштабирование в отношении напряжения, а значит, коэффициент трансформации n выражает отношение первичного (входного) и вторичного (выходного) напряжений :

<math>n = \frac{U_2}{U_1} = \frac{\varepsilon \cdot W_2 + I_2\cdot R_2} {\varepsilon \cdot W_1 - I_1\cdot R_1}</math>

где

<math>U_1</math>, <math>U_2</math> — входное и выходное напряжения соответственно
<math>\varepsilon</math> — ЭДС наводимая в каждом витке любой обмотки данного трансформатора
<math>W_1</math>, <math>W_2</math> — число витков первичной и вторичной обмоток
<math>I_1</math>, <math>I_2</math> — токи в первичной и вторичной цепях трансформатора
<math>R_1</math>, <math>R_2</math> — активные сопротивления обмоток

Если пренебречь потерями в обмотках, то есть <math>R_1</math>, <math>R_2</math> считать равными нулю, то

Такие трансформаторы ещё называют трансформаторами напряжения.

Масштабирование силы тока

Для трансформаторов с последовательным подключением первичной обмотки к источнику энергии вычисляют масштабирование в отношении силы тока, то есть коэффициент трансформации n выражает отношение первичного (входного) и вторичного (выходного) токов:

Кроме того эти токи связаны ещё одной зависимостью

где

<math>I_1</math>, <math>I_2</math> — токи в первичной и вторичной цепях трансформатора
W2, W1 — число витков первичной и вторичной обмоток
<math>I_0</math> — ток «холостого хода», состоящий из тока намагничивания и активных потерь в магнитопроводе

Если пренебречь всеми потерями намагничивания и нагрева магнитопровода, то есть <math>I_0</math> считать равным нулю, то

Такие трансформаторы ещё называют трансформаторами тока.

Масштабирование сопротивления

Ещё одно из применений трансформаторов с параллельным подключением первичной обмотки к источнику энергии — масштабирование сопротивления.

Этот вариант используется, когда не интересует непосредственно само изменение напряжения или тока, а требуется подключить к источнику энергии нагрузку с входным сопротивлением, значительно отличающимся от величин, предъявляемых этим источником.

Например, выходные каскады [УНЧ|звуковых усилителей мощности]] требуют нагрузочное сопротивление выше, чем имеют низкоомные динамики. Другой пример — высокочастотные устройства, для которых равенство волновых сопротивлений источника и нагрузки позволяет получить максимальную выделяемую мощность в нагрузке. И, даже, сварочные трансформаторы, по сути, являются преобразователями сопротивления, в большей мере, чем напряжения, поскольку последнее служит для повышения безопасности работ, а первое является требованием к сопротивлению нагрузки электрических сетей. Хотя сварщику может быть и не важно, каким образом была получена из сети требуемая тепловая энергия для нагрева металла, но вполне понятно, что практически «короткое замыкание» в сети не приветствуется энергоснабжающей стороной.

Соответственно, можно сказать, что масштабирование сопротивления предназначено для передачи мощности из источника в любую нагрузку наиболее «цивилизованным» способом, без «шоковых» режимов для источника и с минимальными потерями (например, если сравнивать трансформаторное масштабирование и простое повышение сопротивления нагрузки с помощью последовательного балластного сопротивления, которое «съест» значительную долю энергии у источника).

Принцип расчета такого масштабирования тоже основан на передаче мощности, а именно, на условном равенстве мощностей: потребляемой трансформатором из первичной цепи (от источника) и отдаваемой во вторичную (нагрузке), пренебрегая потерями внутри трансформатора.

<math>S_1 = S_2 + \Delta S</math>

где

<math>S_1</math>, <math>S_2</math> — мощности соответственно потребляемая и отдаваемая трансформатором
<math>\Delta S</math> — потери в самом трансформаторе (в среднем 1-2 % от <math>S_1</math>), которыми можно пренебречь в данном случае

где

<math>Z_1</math>, <math>Z_2</math> — входное сопротивление трансформатора вместе с нагрузкой относительно его первичной цепи и входное сопротивление нагрузки во вторичной цепи соответственно (то есть первое — это нагрузка для источника энергии при наличии трансформатора, второе — при отсутствии)

Как видно выше, коэффициент трансформации по сопротивлению равен квадрату коэффициента трансформации по напряжению.

Такие трансформаторы иногда называют согласующими (особенно в радиотехнике).

Итоговые замечания

Несмотря на различия в схемах включения, принцип работы самого трансформатора не изменяется и, соответственно, все зависимости напряжений и токов внутри трансформатора будут такими, как показано выше. То есть, даже трансформатор тока, кроме своей «главной» задачи масштабировать силу тока, будет иметь зависимости первичных и вторичных напряжений такие же, как если бы он был трансформатором напряжения, и вносить в последовательную цепь, в которую он включен, сопротивление своей нагрузки, измененное по принципу согласующего трансформатора.

Следует также помнить, что токи, напряжения, сопротивления и мощности в переменных цепях имеют кроме абсолютных значений ещё и сдвиг фаз, поэтому в расчетах (в том числе и вышеприведенных формулах) они являются векторными величинами. Это не так бывает важно учитывать для коэффициента трансформации трансформаторов общетехнического назначения, с невысокими требованиями по точности преобразования, но имеет огромное значение для измерительных трансформаторов токов и напряжений.

Для любого параметра масштабирования, если <math>n<1</math>, то трансформатор можно назвать повышающим; в обратном случае — понижающим.

Дополнительные сведения

Особенность учета витков

Трансформаторы передают энергию из первичной цепи во вторичную посредством магнитного поля. За редким исключением так называемых «воздушных трансформаторов», передача магнитного поля осуществляется по специальным магнитопроводам (из электротехнической стали например, или других ферромагнитных веществ) с магнитной проницаемостью намного большей, чем у воздуха или вакуума. Это концентрирует магнитные силовые линии в теле магнитопровода, уменьшая магнитное рассеивание, а кроме того, усиливает плотность магнитного потока (индукцию) в этой части пространства, занятой магнитопроводом. Последнее приводит к усилению магнитного поля и меньшему потреблению тока «холостого хода», то есть меньшим потерям.

Как известно из курса физики, магнитные силовые линии — концентричные и замкнутые сами на себя «кольца», охватывающие проводник с током. Прямой проводник с током охватывается кольцами магнитного поля по всей длине. Если проводник изогнуть, то кольца магнитного поля с разных участков длины проводника сближаются на внутренней стороне изгиба (подобно витковой пружине, изогнутой набок, с прижатыми витками внутри и растянутыми снаружи изгиба). Этот шаг позволяет увеличить концентрацию силовых линий внутри изгиба и соответственно усилить магнитное поле в той части пространства. Ещё лучше изогнуть проводник кольцом и тогда все магнитные линии распределенные по длине окружности «собьются в кучку» внутри кольца. Такой шаг называется созданием витка проводника с током.

Все вышеописанное очень хорошо подходит для трансформаторов без сердечника (либо других случаев с относительно однородной магнитной средой вокруг витков), но абсолютно бесполезно при наличии магнитных замкнутых сердечников, которые, к сожалению, по геометрическим причинам никак не могут заполнить все пространство вокруг обмотки трансформатора. И поэтому, магнитные силовые линии, охватывающие виток обмотки трансформатора находятся в неравных условиях по периметру витка. Одним силовым линиям «повезло» больше и они проходят только по облегченному маршруту магнитопроводника, другим же приходится часть пути проходить по сердечнику (внутри витка), а остальную по воздуху, для создания замкнутого силового «кольца». Магнитное сопротивление воздуха почти гасит такие линии поля и соответственно нивелирует наличие той части витка, которая породила эту магнитную линию.

Из всего вышесказанного и отображенного на рисунке существует вывод — в работе трансформатора с замкнутым ферромагнитопроводом принимает участие не весь виток, а только небольшая часть, которая полностью окружена этим магнитопроводом. Или другими словами — основной магнитный поток, проходящий через замкнутый сердечник трансформатора создается только той частью провода, которая проходит сквозь «окно» этого сердечника. Рисунок показывает, что для создания 2-х «витков» достаточно дважды пропустить провод с током через «окно» магнитопровода, экономя при этом на обмотке.

Напишите отзыв о статье "Коэффициент трансформации"

Отрывок, характеризующий Коэффициент трансформации

– Ce n'est pas une histoire de revenants? [Это не история о привидениях?] – сказал он, усевшись подле княгини и торопливо пристроив к глазам свой лорнет, как будто без этого инструмента он не мог начать говорить.
– Mais non, mon cher, [Вовсе нет,] – пожимая плечами, сказал удивленный рассказчик.
– C'est que je deteste les histoires de revenants, [Дело в том, что я терпеть не могу историй о привидениях,] – сказал он таким тоном, что видно было, – он сказал эти слова, а потом уже понял, что они значили.
Из за самоуверенности, с которой он говорил, никто не мог понять, очень ли умно или очень глупо то, что он сказал. Он был в темнозеленом фраке, в панталонах цвета cuisse de nymphe effrayee, [бедра испуганной нимфы,] как он сам говорил, в чулках и башмаках.
Vicomte [Виконт] рассказал очень мило о том ходившем тогда анекдоте, что герцог Энгиенский тайно ездил в Париж для свидания с m lle George, [мадмуазель Жорж,] и что там он встретился с Бонапарте, пользовавшимся тоже милостями знаменитой актрисы, и что там, встретившись с герцогом, Наполеон случайно упал в тот обморок, которому он был подвержен, и находился во власти герцога, которой герцог не воспользовался, но что Бонапарте впоследствии за это то великодушие и отмстил смертью герцогу.
Рассказ был очень мил и интересен, особенно в том месте, где соперники вдруг узнают друг друга, и дамы, казалось, были в волнении.
– Charmant, [Очаровательно,] – сказала Анна Павловна, оглядываясь вопросительно на маленькую княгиню.
– Charmant, – прошептала маленькая княгиня, втыкая иголку в работу, как будто в знак того, что интерес и прелесть рассказа мешают ей продолжать работу.
Виконт оценил эту молчаливую похвалу и, благодарно улыбнувшись, стал продолжать; но в это время Анна Павловна, все поглядывавшая на страшного для нее молодого человека, заметила, что он что то слишком горячо и громко говорит с аббатом, и поспешила на помощь к опасному месту. Действительно, Пьеру удалось завязать с аббатом разговор о политическом равновесии, и аббат, видимо заинтересованный простодушной горячностью молодого человека, развивал перед ним свою любимую идею. Оба слишком оживленно и естественно слушали и говорили, и это то не понравилось Анне Павловне.
– Средство – Европейское равновесие и droit des gens [международное право], – говорил аббат. – Стоит одному могущественному государству, как Россия, прославленному за варварство, стать бескорыстно во главе союза, имеющего целью равновесие Европы, – и она спасет мир!
– Как же вы найдете такое равновесие? – начал было Пьер; но в это время подошла Анна Павловна и, строго взглянув на Пьера, спросила итальянца о том, как он переносит здешний климат. Лицо итальянца вдруг изменилось и приняло оскорбительно притворно сладкое выражение, которое, видимо, было привычно ему в разговоре с женщинами.
– Я так очарован прелестями ума и образования общества, в особенности женского, в которое я имел счастье быть принят, что не успел еще подумать о климате, – сказал он.
Не выпуская уже аббата и Пьера, Анна Павловна для удобства наблюдения присоединила их к общему кружку.

В это время в гостиную вошло новое лицо. Новое лицо это был молодой князь Андрей Болконский, муж маленькой княгини. Князь Болконский был небольшого роста, весьма красивый молодой человек с определенными и сухими чертами. Всё в его фигуре, начиная от усталого, скучающего взгляда до тихого мерного шага, представляло самую резкую противоположность с его маленькою, оживленною женой. Ему, видимо, все бывшие в гостиной не только были знакомы, но уж надоели ему так, что и смотреть на них и слушать их ему было очень скучно. Из всех же прискучивших ему лиц, лицо его хорошенькой жены, казалось, больше всех ему надоело. С гримасой, портившею его красивое лицо, он отвернулся от нее. Он поцеловал руку Анны Павловны и, щурясь, оглядел всё общество.
– Vous vous enrolez pour la guerre, mon prince? [Вы собираетесь на войну, князь?] – сказала Анна Павловна.
– Le general Koutouzoff, – сказал Болконский, ударяя на последнем слоге zoff , как француз, – a bien voulu de moi pour aide de camp… [Генералу Кутузову угодно меня к себе в адъютанты.]
– Et Lise, votre femme? [А Лиза, ваша жена?]
– Она поедет в деревню.
– Как вам не грех лишать нас вашей прелестной жены?
– Andre, [Андрей,] – сказала его жена, обращаясь к мужу тем же кокетливым тоном, каким она обращалась к посторонним, – какую историю нам рассказал виконт о m lle Жорж и Бонапарте!
Князь Андрей зажмурился и отвернулся. Пьер, со времени входа князя Андрея в гостиную не спускавший с него радостных, дружелюбных глаз, подошел к нему и взял его за руку. Князь Андрей, не оглядываясь, морщил лицо в гримасу, выражавшую досаду на того, кто трогает его за руку, но, увидав улыбающееся лицо Пьера, улыбнулся неожиданно доброй и приятной улыбкой.
– Вот как!… И ты в большом свете! – сказал он Пьеру.
– Я знал, что вы будете, – отвечал Пьер. – Я приеду к вам ужинать, – прибавил он тихо, чтобы не мешать виконту, который продолжал свой рассказ. – Можно?
– Нет, нельзя, – сказал князь Андрей смеясь, пожатием руки давая знать Пьеру, что этого не нужно спрашивать.
Он что то хотел сказать еще, но в это время поднялся князь Василий с дочерью, и два молодых человека встали, чтобы дать им дорогу.
– Вы меня извините, мой милый виконт, – сказал князь Василий французу, ласково притягивая его за рукав вниз к стулу, чтоб он не вставал. – Этот несчастный праздник у посланника лишает меня удовольствия и прерывает вас. Очень мне грустно покидать ваш восхитительный вечер, – сказал он Анне Павловне.
Дочь его, княжна Элен, слегка придерживая складки платья, пошла между стульев, и улыбка сияла еще светлее на ее прекрасном лице. Пьер смотрел почти испуганными, восторженными глазами на эту красавицу, когда она проходила мимо него.
– Очень хороша, – сказал князь Андрей.
– Очень, – сказал Пьер.
Проходя мимо, князь Василий схватил Пьера за руку и обратился к Анне Павловне.
– Образуйте мне этого медведя, – сказал он. – Вот он месяц живет у меня, и в первый раз я его вижу в свете. Ничто так не нужно молодому человеку, как общество умных женщин.

Анна Павловна улыбнулась и обещалась заняться Пьером, который, она знала, приходился родня по отцу князю Василью. Пожилая дама, сидевшая прежде с ma tante, торопливо встала и догнала князя Василья в передней. С лица ее исчезла вся прежняя притворность интереса. Доброе, исплаканное лицо ее выражало только беспокойство и страх.
– Что же вы мне скажете, князь, о моем Борисе? – сказала она, догоняя его в передней. (Она выговаривала имя Борис с особенным ударением на о ). – Я не могу оставаться дольше в Петербурге. Скажите, какие известия я могу привезти моему бедному мальчику?
Несмотря на то, что князь Василий неохотно и почти неучтиво слушал пожилую даму и даже выказывал нетерпение, она ласково и трогательно улыбалась ему и, чтоб он не ушел, взяла его за руку.
– Что вам стоит сказать слово государю, и он прямо будет переведен в гвардию, – просила она.
– Поверьте, что я сделаю всё, что могу, княгиня, – отвечал князь Василий, – но мне трудно просить государя; я бы советовал вам обратиться к Румянцеву, через князя Голицына: это было бы умнее.
Пожилая дама носила имя княгини Друбецкой, одной из лучших фамилий России, но она была бедна, давно вышла из света и утратила прежние связи. Она приехала теперь, чтобы выхлопотать определение в гвардию своему единственному сыну. Только затем, чтоб увидеть князя Василия, она назвалась и приехала на вечер к Анне Павловне, только затем она слушала историю виконта. Она испугалась слов князя Василия; когда то красивое лицо ее выразило озлобление, но это продолжалось только минуту. Она опять улыбнулась и крепче схватила за руку князя Василия.
– Послушайте, князь, – сказала она, – я никогда не просила вас, никогда не буду просить, никогда не напоминала вам о дружбе моего отца к вам. Но теперь, я Богом заклинаю вас, сделайте это для моего сына, и я буду считать вас благодетелем, – торопливо прибавила она. – Нет, вы не сердитесь, а вы обещайте мне. Я просила Голицына, он отказал. Soyez le bon enfant que vous аvez ete, [Будьте добрым малым, как вы были,] – говорила она, стараясь улыбаться, тогда как в ее глазах были слезы.
– Папа, мы опоздаем, – сказала, повернув свою красивую голову на античных плечах, княжна Элен, ожидавшая у двери.
Но влияние в свете есть капитал, который надо беречь, чтоб он не исчез. Князь Василий знал это, и, раз сообразив, что ежели бы он стал просить за всех, кто его просит, то вскоре ему нельзя было бы просить за себя, он редко употреблял свое влияние. В деле княгини Друбецкой он почувствовал, однако, после ее нового призыва, что то вроде укора совести. Она напомнила ему правду: первыми шагами своими в службе он был обязан ее отцу. Кроме того, он видел по ее приемам, что она – одна из тех женщин, особенно матерей, которые, однажды взяв себе что нибудь в голову, не отстанут до тех пор, пока не исполнят их желания, а в противном случае готовы на ежедневные, ежеминутные приставания и даже на сцены. Это последнее соображение поколебало его.
– Chere Анна Михайловна, – сказал он с своею всегдашнею фамильярностью и скукой в голосе, – для меня почти невозможно сделать то, что вы хотите; но чтобы доказать вам, как я люблю вас и чту память покойного отца вашего, я сделаю невозможное: сын ваш будет переведен в гвардию, вот вам моя рука. Довольны вы?