ステップアップおよびステップダウントランス

これまで、一次巻線と二次巻線のインダクタンスが同じで、両方の回路でほぼ等しい電圧と電流レベルが得られる変圧器のシミュレーションを観察してきました。ただし、変圧器の一次側と二次側の間の電圧と電流の均等性は、すべての変圧器の標準ではありません。

2つの巻線のインダクタンスが等しくない場合、何か面白いことが起こります：

トランスフォーマー v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 10000 l2 3 5100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v（2,0）i（v1） .print ac v（3,5）i（vi1） 。終わり 

 freq v（2）i（v1） 6.000E + 01 1.000E + 019.975E-05一次巻線 周波数v（3,5）i（vi1） 6.000E + 01 9.962E-019.962E-04二次巻線 

二次電圧が一次電圧の約10分の1（10ボルトに対して0.9962ボルト）であるのに対し、二次電流は約10倍（0.09975mAに対して0.9962mA）であることに注意してください。

ここにあるのは、電圧を下げるステップするデバイスです。 10倍で現在の up 10倍：

回転比を10：1にすると、一次：二次電圧比が10：1、一次：二次電流比が1:10になります。

ステップアップおよびステップダウントランスとは何ですか？

これは確かに非常に便利なデバイスです。これにより、AC回路の電圧と電流を簡単に乗算または除算できます。実際、変圧器は、AC電圧を「ステップアップ」し、電流を「ステップダウン」して、発電所と負荷を接続する電力線に沿った電線抵抗電力損失を減らすことができるため、電力の長距離送電を現実のものにしました。

どちらの端（発電機と負荷の両方）でも、変圧器によって電圧レベルが下げられ、より安全な操作とより安価な機器が実現します。

一次巻線から二次巻線に電圧を上げる（一次巻線の巻数よりも二次巻線の巻数が多い）変圧器は、ステップアップと呼ばれます。 トランスフォーマー。

逆に、正反対のことをするように設計された変圧器は、ステップダウンと呼ばれます。 トランスフォーマー。

前のセクションで示した写真をもう一度見てみましょう：

一次巻線と二次巻線を示す変圧器の断面は、高さが数インチ（約10 cm）です。

これは、一次巻線の巻数が多く、二次巻線の巻数が少ないことからもわかるように、降圧トランスです。降圧ユニットとして、この変圧器は高電圧、低電流の電力を低電圧、大電流の電力に変換します。

電流が増加するため、二次巻線に使用されるより大きなゲージのワイヤが必要です。一次巻線は、それほど多くの電流を流す必要がないため、より小さなゲージのワイヤでできている場合があります。

変圧器操作の可逆性

ご参考までに、<​​em> これらの変圧器タイプのいずれかを逆方向に動作させて（AC電源で2次巻線に電力を供給し、1次巻線に負荷を電力供給させる）、逆の機能を実行することができます。ステップアップはステップダウンおよびビザとして機能できます。

ただし、この章の最初のセクションで見たように、トランスを効率的に動作させるには、電圧と電流の特定の動作範囲に合わせて個々の巻線インダクタンスを設計する必要があるため、トランスをこのように「逆方向」に使用する場合は、非効率的であることが証明されないように（または損傷を受けないように）、各巻線の電圧と電流の元の設計パラメータ内で使用されます。 過度の電圧または電流による！）

変圧器構造ラベル

変圧器は、多くの場合、どのワイヤが一次巻線につながり、どのワイヤが二次巻線につながるかが明確にならないように構成されています。混乱を緩和するために電力業界で使用される1つの規則は、高電圧巻線（降圧ユニットの1次巻線、昇圧ユニットの2次巻線）および「X」の「H」指定の使用です。低電圧巻線の指定。

したがって、単純な電源トランスには、「H ₁ 」というラベルの付いたワイヤがあります。 」、「H ₂ 」、「X ₁ 」、および「X ₂ 」。これは通常、ワイヤの番号付け（H ₁ ）にとって重要です。 対H ₂ など）。これについては、この章の後半で説明します。

ステップアップおよびステップダウントランスの実用的な重要性

電力が電圧と電流の積に等しいことを思い出し、変圧器が生成できないことを理解すると、電圧と電流が反対方向（一方が上、もう一方が下）に「ステップ」するという事実は完全に理にかなっています。 力、それを変換するだけです。

必要以上の電力を出力できるデバイスは、エネルギー保存の法則に違反します。 物理学では、つまり、エネルギーは生成または破壊できず、変換されるだけです。最初に見たトランスの例と同様に、デバイスの1次側から2次側への電力伝送効率は非常に良好です。

これの実際的な重要性は、代替案を検討するときにさらに明らかになります。効率的な変圧器が登場する前は、電圧/電流レベルの変換は、モーター/発電機セットを使用することによってのみ達成できました。

モーター/発電機セットの図は、関連する基本原理を示しています:(下の図）

=

モータージェネレーターは、変圧器の基本原理を示しています。

このような機械では、モーターが発電機に機械的に結合されています。発電機は、モーターの回転速度で必要なレベルの電圧と電流を生成するように設計されています。

モーターと発電機はどちらもかなり効率的なデバイスですが、このように両方を使用すると非効率性が増し、全体的な効率は90％以下の範囲になります。さらに、モーター/発電機セットには明らかに可動部品が必要なため、機械的摩耗とバランスが耐用年数と性能の両方に影響を与える要因です。

一方、変圧器は、可動部品がなくても非常に高い効率でAC電圧と電流のレベルを変換できるため、当然のことながら電力の広範な配電と使用が可能になります。

公平を期すために、モーター/発電機セットは必ずしもすべての の変圧器によって廃止されたわけではないことに注意してください。 アプリケーション。

変圧器は、AC電圧および電流レベルの変換に関して、モーター/発電機セットよりも明らかに優れていますが、AC電力のある周波数を別の周波数に変換したり、（それ自体で）DCをACに変換したり、その逆を行ったりすることはできません。

モーター/発電機セットは、すでに説明した効率と機械的要因の制限はありますが、これらすべてのことを比較的簡単に行うことができます。

モーター/発電機セットには、動的エネルギー貯蔵という独自の特性もあります。つまり、モーターの電源が何らかの理由で瞬間的に遮断された場合、その角運動量（その回転質量の慣性）が発電機の回転を短時間維持します。 、したがって、発電機によって電力が供給される負荷を主電源システムの「グリッチ」から分離します。

昇圧および降圧変圧器の動作の分析

SPICE分析の数値をよく見ると、トランスの比率と2つのインダクタンスの間に対応関係があることがわかります。一次インダクタ（l1）のインダクタンスが二次インダクタの100倍（10000H対100H）であり、測定された電圧降圧比が10対1であることに注目してください。

インダクタンスが大きい巻線は、他の巻線よりも電圧が高く、電流が少なくなります。

2つのインダクタはトランスの同じコア材料に巻かれているため（2つの間の最も効率的な磁気結合のため）、2つのコイルのインダクタンスに影響を与えるパラメータは、各コイルの巻数を除いて同じです。

インダクタンスの式をもう一度見ると、インダクタンスは二乗に比例していることがわかります。 コイルの巻数の例：

したがって、最後のSPICEトランスの例の回路の2つのインダクタ（インダクタンス比が100：1）は、10の2乗が100に等しいため、コイルの巻数比が10：1である必要があることは明らかです。

これは、一次と二次の電圧と電流の比率（10：1）と同じであることがわかります。したがって、原則として、電圧と電流の変換比は、一次と二次の巻線の巻数の比率に等しいと言えます。

降圧変圧器:(多くの回転：数回転）

変圧器のコイル巻数比のステップアップ/ステップダウン効果は、機械式ギアシステムのギア歯比に類似しており、速度とトルクの値をほぼ同じ方法で変換します。

トルクを下げるギアトレインはトルクを下げ、速度を上げます。

配電用の昇圧および降圧変圧器は、前に示した電力変圧器に比例して巨大になる可能性があり、一部のユニットは家と同じくらいの高さになります。次の写真は、高さ約12フィートの変電所変圧器を示しています。

変電所変圧器。

レビュー：

• 変圧器は、一次ワイヤと二次ワイヤの巻数の比率に応じて、電圧を「ステップアップ」または「ステップダウン」します。

• 一次側から二次側に電圧を上げるように設計された変圧器は、ステップアップと呼ばれます。 変成器。一次側から二次側に電圧を下げるように設計された変圧器は、降圧と呼ばれます。 トランスフォーマー。
• トランスの変換比は、一次インダクタンスと二次インダクタンス（L）の比の平方根に等しくなります。

関連ワークシート：

• ステップアップ、ステップダウン、および絶縁トランスのワークシート