режимы, схема, назначение, из чего состоит

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов  и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике  с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Как работает трансформатор преобразование тока

Преобразование переменного тока

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тока тем, что он хорошо поддается трансформированию, т.  е. преобразованию тока относительно высокого напряжения в ток более низкого напряжения, или наоборот. Трансформаторы позволяют передавать переменный ток по проводам на большие расстояния с малыми потерями энергии. Для этого переменное напряжение, вырабатываемое на электростанциях генераторами, с помощью трансформаторов повышают до напряжения в несколько сотен тысяч вольт и «посылают» по линиям электропередачи (ЛЭП) в различных направлениях. С повышением напряжения уменьшается сила тока в ЛЭП при одной и той же передаваемой мощности, что и приводит к снижению потерь и позволяет применять провода меньшего сечения. В городах и селах на расстоянии сотен и тысяч километров от электростанций это напряжение понижают трансформаторами до более низкого, которым и питают лампочки освещения, электродвигатели и другие электрические приборы.

Трансформаторы широко применяют и в радиотехнике.

Схематическое устройство простейшего трансформатора показано на рис. 1. Он состоит из двух катушек из изолированного провода, называемых обмотками, насаженных на магнитопровод, собранный из пластин специальной, так называемой трансформаторной стали. Обмотки трансформатора изображают на схемах так же, как катушки индуктивности, а магнитопровод — линией между ними.

Рис. 1.Трансформатор с магнитопроводом из стали:
а — устройство в упрощенном виде; б — схематическое изображение

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, текущий по одной из обмоток трансформатора, создает вокруг нее и в магнитопроводе переменное магнитное поле. Это поле пересекает витки другой обмотки трансформатора, индуцируя в ней переменное напряжение той же частоты. Если к этой обмотке подключить какую-либо нагрузку, например лампу накаливания, то в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток — лампа станет гореть.

Обмотку, к которой подводится переменное напряжение, предназначаемое для трансформирования, называют первичной, а обмотку, в которой индуцируется переменное напряжение — вторичной.

Напряжение, которое получается на концах вторичной обмотки, зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке приблизительно равно напряжению, подведенному к первичной обмотке. Если вторичная обмотка трансформатора содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее меньше, чем напряжение, подводимое к первичной обмотке. И наоборот, если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подводимого к первичной обмотке. В первом случае трансформатор будет понижать, во втором повышать переменное напряжение.

Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, можно довольно точно подсчитать по отношению чисел витков обмоток трансформатора: во сколько раз она имеет большее (или меньшее) число витков по сравнению с числом витков первичной обмотки, во столько же раз напряжение на ней будет больше (или меньше) по сравнению с напряжением, подводимым к первичной обмотке. Так, например, если одна обмотка трансформатора имеет 1000 витков, а вторая 2000 витков, то, включив первую обмотку в сеть переменного тока с напряжением 220 В, мы получим во второй обмотке напряжение 440 В — это повышающий трансформатор. Если же напряжение 220 В подвести к обмотке, имеющей 2000 витков, то в обмотке, содержащей 1000 витков, мы получим напряжение 110 В — это понижающий трансформатор. Обмотка, имеющая 2000 витков, в первом случае будет вторичной, а во втором случае — первичной.

Но, пользуясь трансформатором, не стоит забывать о том, что мощность тока (Р = U·I), которую можно получить в цепи вторичной обмотки, никогда не превышает мощности тока первичной обмотки. Это значит, что получить от вторичной обмотки одну и ту же мощность можно, повышая напряжение и уменьшая ток, либо потребляя от нее пониженное напряжение при увеличенном токе. Следовательно, повышая напряжение мы проигрываем в значении тока, а выигрывая в значении тока, обязательно проигрываем в напряжении.

Для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока часто используют трансформаторы с несколькими вторичными обмотками с различным числом витков. С помощью таких трансформаторов, называемых сетевыми, или трансформаторами питания, получают несколько напряжений, питающих разные цепи.

Наибольшая мощность тока, которая может быть трансформирована, зависит от размера магнитопровода трансформатора и диаметра провода, из которого выполнены обмотки. Чем больше объем магнитопровода, тем большая мощность тока может быть трансформирована. Практически же в трансформаторе всегда бесполезно теряется часть мощности. Поэтому мощность в цепи вторичной обмотки (или сумма мощностей, получаемых от всех вторичных обмоток) всегда несколько меньше мощности, потребляемой первичной обмоткой.

Если, однако, в первичной обмотке трансформатора течет пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение, частота которого равна частоте пульсаций тока в первичной обмотке. Это свойство трансформатора используется для индуктивной связи между разными цепями, разделения пульсирующего тока на его составляющие и ряда других целей, о которых разговор будет впереди.

Все трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопроводами из железоникелевых сплавов (пермаллоя) называют низкочастотными трансформаторами, так как они пригодны только для преобразования переменного напряжения низкочастотного диапазона. На схемах низкочастотные трансформаторы обозначают буквой Т, а их обмотки римскими цифрами.

Принцип действия высокочастотных трансформаторов, предназначаемых для трансформации колебаний высокой частоты, также основан на электромагнитной индукции. Они могут быть как с сердечниками, так и без сердечников. Их обмотки (катушки) располагают на одном или разных каркасах, но обязательно близко одну к другой (рис. 2).

Рис. 2.Высокочастотные трансформаторы без сердечников (слева катушки трансформатора с общим каркасом; справа — катушки трансформатора на отдельных каркасах; в центре обозначение на схемах)

При появлении тока высокой частоты в одной из катушек вокруг нее возникает быстропеременное магнитное поле, которое индуцирует во второй катушке напряжение такой же частоты. Как и в низкочастотных трансформаторах, напряжение во вторичной катушке зависит от соотношения чисел витков в катушках.

Для усиления связи между катушками в высокочастотных трансформаторах используют сердечники в виде стержней или колец (рис.  3), представляющие собой спрессованную массу из неметаллических материалов. Их называют магнитодиэлектрическими или высокочастотными сердечниками.

Рис 3.Высокочастотные трансформаторы с магнитодиэлектрическими сердечниками (слева — со стержневым, справа с кольцевым (тороидальным) сердечником)

Магнитодиэлектрический сердечник высокочастотного трансформатора независимо от его конструкции и формы обозначают на схемах так же, как магнитопровод низкочастотного трансформатора, — прямой линией между катушками, а обмотки, как и катушки индуктивности, — латинскими буквами L.

Что такое трансформатор и как он работает

Электрическая энергия состоит из двух основных элементов: тока и напряжения.

• Ток — скорость потока электрической энергии, измеренная в амперах
• Напряжение — сила этой электрической энергии, измеренная в вольтах

Представьте себе электричество, как воду, текущую по трубе.

• Текущий расход воды
• Напряжение давление воды

Для подачи воды из городского водохранилища в дома, предприятия и фабрики вам понадобится большая труба и большой напор воды. Городские водопроводы построены так, чтобы перекачивать огромные объемы воды, и эта вода движется быстро из-за сильного напора воды.

А теперь представьте, что вы подсоединяете водопроводную трубу большого объема и высокого давления прямо к кухонной раковине. Кран лопнет, как только вы его включите, и в ваш дом хлынет река. Для использования давление воды в главном водопроводе должно быть уменьшено с помощью регуляторов давления.

После того, как давление воды уменьшится, ее наконец-то можно будет использовать для душа, мытья посуды, полива сада и любых других домашних и деловых дел.

Трансформаторы делают то же самое с электричеством. Электричество, проходящее по линиям электропередач, может превышать 300 000 вольт — огромное количество «электрического давления». Трансформаторы делают электричество пригодным для использования за счет снижения напряжения в точке потребления. Трансформаторы такого типа называются понижающими трансформаторами.

Они варьируются от массивных трансформаторов подстанций, которые можно найти во дворах коммунальных подстанций, до больших зеленых трансформаторов, устанавливаемых за пределами вашего предприятия, до небольших трансформаторов, устанавливаемых на опорах электропередач.

Коммерческие и промышленные предприятия используют большие трансформаторы, которые обеспечивают трехфазное напряжение, такое как 480 или 208 вольт. Дома и малые предприятия используют однофазные трансформаторы меньшего размера для обеспечения однофазного напряжения 120/240 В. Здесь мы сосредоточимся на трехфазных распределительных трансформаторах.

Преобразователь работает по закону сохранения энергии, согласно которому энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только преобразована. Следовательно, трансформатор не производит электричество, он просто изменяет напряжение в соответствии с потребностями пользователя.

Трансформаторы осуществляют это изменение напряжения посредством процесса электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция

Когда вы пропускаете переменный электрический ток по проводу (проводнику), вокруг наэлектризованного проводника создается невидимое движущееся магнитное поле. Когда вы помещаете второй проводник в это изменяющееся магнитное поле, движущиеся силовые линии в поле индуцируют ток во втором проводнике.

Вы можете использовать электромагнитную индукцию для увеличения или уменьшения напряжения между двумя проводниками, намотав два проводника на катушки, одна из которых длиннее (с большим количеством петель в катушке), а другая короче (с меньшим количеством петель в катушке). Если вы затем электрифицируете катушку с большим количеством петель, в катушке с меньшим количеством петель будет индуцироваться ток при более низком напряжении, чем в первой катушке.

Первый спиральный проводник, по которому электричество поступает в трансформатор, называется первичной катушкой, а другая катушка, в которой индуцируется ток, называется вторичной катушкой. Как первичная, так и вторичная катушки (также называемые обмотками), изготовленные из алюминия или меди, намотаны на железный сердечник, который усиливает и направляет изменяющееся магнитное поле для лучшей индукции.

Каждый виток в катушке вокруг железного сердечника называется «виток».

Как получить именно то напряжение, которое нам нужно? Во-первых, мы должны понять одно простое правило: соотношение витков между первичной и вторичной обмотками определяет соотношение напряжения между обмотками.

Если соотношение витков между катушками 25:1, то напряжение будет трансформироваться в соотношении 25:1. Чтобы получить точное напряжение, которое вам нужно, вы должны построить трансформатор с точным желаемым соотношением витков в каждой катушке. Трансформатор с соотношением витков 25:1 будет использоваться для преобразования 12 000 вольт в 480 вольт.

Существует множество конфигураций и типов трансформаторов, таких как блочные подстанции, монтируемые на мачте, сухие трансформаторы среднего напряжения и сухие трансформаторы общего назначения низкого напряжения. Несмотря на разные цели проектирования, все они используют схожие компоненты. Ниже мы рассмотрим детали, встречающиеся в маслонаполненных трансформаторах.

Вводы

Вводы трансформаторов представляют собой изолированные клеммы, которые позволяют электричеству безопасно проходить через стенку бака трансформатора без электрического контакта с ним. Это части трансформатора, которые подключаются к источнику питания (со стороны высокого напряжения) и нагрузке (со стороны низкого напряжения).

Вводы трансформатора

Сердечник и катушки

Сердечник и катушки трансформатора, составляющие основу трансформатора, являются местом, где происходит процесс индукции. Когда электричество поступает от линии электропередач к трансформатору, катушки определяют, как преобразуется поступающее напряжение. Катушки наматываются вокруг сердечника и могут быть изготовлены из алюминия или меди.

Сердечник и катушка трансформатора

Выключатели нагрузки

Выключатель нагрузки трансформатора (переключатель LBOR) представляет собой специальный поворотный переключатель, который позволяет электрикам вручную отключать трансформатор от электросети, обесточив сердечник и катушки. Эти выключатели называются выключателями нагрузки, поскольку их можно использовать, даже когда трансформатор находится под напряжением и «под нагрузкой».

Выключатели нагрузки

Плавкие предохранители

Плавкие предохранители трансформатора защищают электрическую систему в случае возникновения проблем с трансформатором или оборудованием, расположенным ниже по цепи. При воздействии опасно высокого тока или чрезмерного нагрева тонкая проволока (называемая «элементом») внутри предохранителя плавится. Это открывает или «разрывает» поток электроэнергии, отключая трансформатор от электросети.

Отводы для регулировки напряжения

Отводы для регулировки напряжения трансформатора позволяют поддерживать правильное вторичное напряжение в случае, если первичное напряжение выше или ниже ожидаемого. Настройка отвода регулируется вращением переключателя отводов. При вращении переключателя отводов небольшие участки первичных обмоток отключаются, что изменяет соотношение первичных и вторичных обмоток, тем самым снижая номинальное первичное напряжение.

Жидкость

Трансформаторное масло или жидкость используются для охлаждения трансформаторов, когда они нагреваются во время работы. Для поддержания низких температур специальный бак заполняется трансформаторной жидкостью. Эта жидкость течет по каналам или «каналам» между обмотками трансформатора и служит изолятором и охлаждающей средой. Только заполненные жидкостью трансформаторы содержат трансформаторную жидкость.

Манометры

Манометры трансформатора используются для контроля различных условий работы трансформатора, включая уровень масла, температуру и давление в баке. В более крупных трансформаторах уровень и типы контроля могут быть более сложными.

Принцип работы трансформаторов довольно прост. Они потребляют электричество при одном напряжении и меняют его, а затем перераспределяют электричество при новом напряжении, чтобы использовать его практически для любой задачи, требующей электроэнергии.

И, конечно же, есть несколько мест, куда вы можете пойти, где дома, предприятия и промышленные предприятия не зависят от электричества. Позволяя людям печь пиццу, сушить волосы, топить снег на футбольном поле и питать центры обработки данных, трансформаторы являются неотъемлемой частью повседневной жизни. Являетесь ли вы новичком в трансформерах или работаете с ними в течение многих лет, надеюсь, эта статья помогла вам понять их немного лучше.

Думаете, вам скоро может понадобиться трансформатор для проекта?

Свяжитесь с нами сегодня.

Как работают электрические трансформаторы?

Как работают электрические трансформаторы? — Объясните этот материал

• Дом
• Индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Вы здесь:
Домашняя страница >
Электричество и электроника >
Трансформеры

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 23 августа 2021 г.

Мощные линии электропередач, пересекающие
наша сельская местность или невидимые под городскими улицами несут электричество
при очень высоких напряжениях от питания
растения в наши дома. Нет ничего необычного в том, что линия электропередач оценивается
от 300 000 до 750 000 вольт, а некоторые линии работают при еще более высоких напряжениях.
[1]
Но приборы в наших домах используют напряжение в тысячи раз меньшее — обычно от 110 до 250 вольт. Если
вы попытались запитать тостер или телевизор от опоры электропередач, это бы
мгновенно взорваться! (Даже не думай пытаться, потому что
электричество в воздушных линиях почти наверняка вас убьет.)
быть каким-то способом уменьшить электроэнергию высокого напряжения от электростанций до
электричество более низкого напряжения, используемое фабриками, офисами и домами.
Часть оборудования, которая делает это, гудит электромагнитными волнами.
энергия, как она идет, называется трансформатором.
Давайте подробнее рассмотрим, как это работает!

Фото: Типичный небольшой трансформатор, питающий дома от основной электросети. Обратите внимание на ребра охлаждения (эти вертикальные металлические пластины) с четырех сторон.

Реклама

Содержание

1. Почему мы используем высокое напряжение?
2. Как работает трансформатор?
3. Понижающие трансформаторы
4. Повышающие трансформаторы
5. Трансформеры в вашем доме
6. Трансформаторы на практике
7. Что такое твердотельные трансформаторы?
8. Узнать больше

Почему мы используем высокое напряжение?

Ваш первый вопрос, вероятно, таков: если наши дома и офисы
с помощью копировальных аппаратов,
компьютеры,
стиральные машины и электробритвы
напряжением 110–250 вольт, почему электростанции просто не передают
электричество при таком напряжении? Почему они используют такие высокие напряжения? К
Объясните это, нам нужно немного знать о том, как распространяется электричество.

Как электричество течет по металлу
провод, электроны, которые несут его энергию
покачиваться сквозь металлическую конструкцию, ударяясь и разбиваясь о
обычно тратит энергию, как неуправляемый
школьники бегут по коридору. Вот почему провода нагреваются, когда
через них проходит электричество (что очень полезно в электрических тостерах и других
приборы, использующие нагревательные элементы). Оказывается, что
чем выше напряжение электричества, которое вы используете, и чем ниже ток,
тем меньше энергии тратится впустую. Таким образом, электричество, которое приходит
от электростанций передается по проводам под чрезвычайно высоким напряжением к
экономить энергию.

Фото: Спуск: Эта старая подстанция (понижающий электрический трансформатор) обеспечивает электроэнергией небольшую английскую деревушку, где я живу. Его высота составляет около 1,5 м (5 футов), и его задача заключается в преобразовании нескольких тысяч вольт входящего электричества в сотни вольт, которые мы используем в наших домах.

Но есть и другая причина. Промышленные предприятия имеют огромный завод
машины, которые намного больше и более энергоемки, чем все, что вы
иметь дома. Энергия, используемая прибором, напрямую связана (пропорциональна)
к напряжению, которое он использует. Таким образом, вместо того, чтобы работать от 110–250 вольт, энергоемкие машины могут использовать
10 000–30 000 вольт. Небольшим фабрикам и механическим цехам может потребоваться
питания 400 вольт или около того. Другими словами, разное электричество.
пользователям нужны разные напряжения. Имеет смысл грузить высоковольтные
электричество от электростанции, а затем преобразовать его в
более низкие напряжения, когда он достигает различных пунктов назначения. (Даже при этом централизованные электростанции
еще очень неэффективны. Около двух третей энергии, поступающей на электростанцию,
в виде сырого топлива тратится впустую на самом заводе и по дороге домой.)

На фото: Изготовление больших электрических трансформаторов на заводе Westinghouse во время Второй мировой войны.
Фото Альфреда Т. Палмера, Управление военного управления, предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Рекламные ссылки

Как работает трансформатор?

Трансформатор основан на очень простом факте об электричестве: когда
По проводнику течет переменный электрический ток, который создает магнитное поле.
поле (невидимый образец магнетизма) или «магнитный поток» все
вокруг него. Сила магнетизма (которая имеет скорее
техническое название плотности магнитного потока)
непосредственно связанный с
величина электрического тока. Таким образом, чем больше ток, тем
сильнее магнитное поле. А теперь еще один интересный факт о
электричество тоже. Когда магнитное поле колеблется вокруг куска
провода, он генерирует электрический ток в проводе. Итак, если мы положим
второй виток провода рядом с первым, и отправить колеблющийся
электрический ток в первую катушку, мы создадим электрическую
ток во втором проводе.
Ток в первой катушке обычно
называется первичным током и током
во втором проводе
это (сюрприз, сюрприз) вторичный ток.
Что мы сделали
вот пропускают электрический ток через пустое пространство от одного витка
провод к другому. Это называется электромагнитным
индукции, потому что ток в первой катушке
вызывает (или «индуцирует») ток во второй катушке.
Мы можем более эффективно передавать электрическую энергию от одной катушки к другой.
другой, обернув их вокруг прутка из мягкого железа (иногда называемого стержнем):

Чтобы сделать катушку из проволоки, мы просто скручиваем проволоку в петли или
(«повороты», как любят их называть физики). Если
вторая катушка
имеет то же число витков, что и первая катушка, электрический ток в
вторая катушка будет практически такого же размера, как и в первой
катушка. Но (и вот что самое интересное), если у нас будет больше или меньше оборотов
во второй катушке мы можем сделать вторичный ток и напряжение
больше или меньше первичного тока и напряжения.

Важно отметить, что этот трюк работает, только если
электрический ток каким-то образом колеблется. Другими словами, у вас есть
использовать тип постоянно реверсивного электричества, называемого переменным
тока (AC) с трансформатором. Трансформаторы не работают с постоянным током (DC), где постоянный ток постоянно течет в одном и том же месте.
направление.

Понижающие трансформаторы

Если в первой катушке больше витков, чем во второй, вторичная
напряжение меньше, чем
первичное напряжение:

Это называется понижающим
трансформатор. Если вторая катушка имеет половину
столько витков, сколько в первой катушке, вторичное напряжение будет вдвое меньше
размер первичного напряжения; если во второй катушке в 10 раз меньше
оборотов, он имеет одну десятую напряжения. В общем:

Вторичное напряжение ÷
Первичное напряжение = количество витков вторичной обмотки ÷ количество витков
в первичке

Ток трансформируется наоборот — увеличивается в размере — в
понижающий трансформатор:

Вторичный ток ÷ Первичный ток = Количество витков в
первичная ÷ Количество витков во вторичной обмотке

Итак, понижающий трансформатор со 100 витками в первичной и 10
катушки во вторичной обмотке уменьшат напряжение в 10 раз, но
умножьте ток на коэффициент 10 одновременно. Сила в
электрический ток равен произведению силы тока на напряжение (Вт =
вольт х ампер — это один из способов запомнить это), чтобы вы могли видеть мощность в
вторичная катушка теоретически такая же, как мощность в
первичная катушка. (В действительности происходит некоторая потеря мощности между
первичный и вторичный, потому что часть «магнитного потока» просачивается
сердечника часть энергии теряется из-за нагрева сердечника и т. д.)

Повышающие трансформаторы

Обратная ситуация, мы можем сделать повышающий
трансформатор, повышающий
низкое напряжение в высокое:

На этот раз у нас больше витков на вторичке
катушка, чем первичная. По-прежнему верно, что:

Вторичное напряжение ÷ Первичное напряжение = Количество витков в
вторичный ÷ количество витков в первичной обмотке

и

вторичный ток ÷ первичный ток = количество витков в
первичный ÷ Количество витков во вторичном

В повышающем трансформаторе во вторичной обмотке используется больше витков, чем в
первичный, чтобы получить большее вторичное напряжение и меньшее вторичное
текущий.

Рассматривая как понижающие, так и повышающие трансформаторы, можно увидеть, что общее правило
катушка с наибольшим количеством витков имеет самое высокое напряжение, а катушка с наименьшим количеством витков
имеет самый высокий ток.

Трансформаторы в вашем доме

Фото: Типичные домашние трансформаторы. Против часовой стрелки
сверху слева: трансформатор модема, белый трансформатор в iPod.
зарядное устройство и зарядное устройство для мобильного телефона.

Как мы уже видели, в городах много огромных трансформеров
и городов, где высоковольтная электроэнергия от входящих линий электропередач
преобразуется в низковольтные. Но трансформеров много.
ваш дом также. Крупные электроприборы, такие как стиральные и посудомоечные машины, используют относительно высокое напряжение.
110–240 вольт, но электронные устройства, такие как портативные компьютеры и зарядные устройства для MP3-плееров и мобильных телефонов, потребляют относительно мало
напряжения: ноутбуку требуется около 15 вольт, зарядному устройству iPod требуется 12 вольт.
вольт, а мобильному телефону обычно требуется менее 6 вольт, когда вы
зарядить его аккумулятор. Таким образом, электронные устройства, подобные этим, имеют небольшие
встроенные в них трансформаторы (часто монтируются в конце силовой
свинец) для преобразования 110–240 вольт бытовой
питания в меньшее напряжение, которое они могут использовать. Если вы когда-нибудь задумывались, почему
такие вещи, как мобильные телефоны, имеют эти большие толстые шнуры питания, это потому, что
они содержат трансформаторы!

Фотографии: электрическая зубная щетка стоит на зарядном устройстве. Аккумулятор в щетке заряжается индукционно: между пластиковой щеткой и пластиковым зарядным устройством в основании нет прямого электрического контакта. Индукционное зарядное устройство представляет собой особый вид трансформатора, разделенного на две части: одну в основании и одну в щетке. Невидимое магнитное поле связывает две части трансформатора вместе.

Индукционные зарядные устройства

Многие бытовые трансформаторы (такие как те, которые используются в iPod и
мобильные телефоны) предназначены для подзарядки аккумуляторов.
Вы можете увидеть, как именно они работают: электричество течет
в трансформатор от электрической розетки на вашей стене, получает
преобразуется в более низкое напряжение и течет в батарею в вашем
Айпад или телефон. Но что происходит с чем-то вроде электрической зубной щетки, у которой нет
кабель питания? Он заряжается немного другим типом
трансформатор, одна из катушек которого находится в основании щетки, а
другой в зарядном устройстве, на котором стоит щетка. Вы можете узнать
как работают такие трансформаторы в нашей статье про индукционные зарядные устройства.

Трансформаторы на практике

Фото: Взрыв из прошлого: трансформатор странной формы на плотине Чикамауга недалеко от Чаттануги, штат Теннеси.
Снято в 1942 году Альфредом Т. Палмером, Управление военного управления, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Если у вас дома есть такие трансформаторные зарядные устройства (обычные или индукционные), вы заметите, что они нагреваются после того, как поработают какое-то время. Поскольку все трансформаторы производят определенное количество отработанного тепла, ни один из них не является абсолютно эффективным: вторичная обмотка производит меньше электроэнергии, чем мы подаем в первичную, и большая часть разницы приходится на отработанное тепло.
На небольшом домашнем зарядном устройстве для мобильного телефона потери тепла довольно минимальны (меньше, чем у старомодной лампы накаливания), и обычно не о чем беспокоиться.
Но чем больше трансформатор, тем больше ток, который он пропускает, и тем больше тепла он производит. Для трансформатора подстанции, такого как тот, что на нашей фотографии вверху, шириной примерно с небольшой автомобиль, отработанное тепло может быть очень значительным: оно может повредить изоляцию трансформатора, серьезно сократить срок его службы и сделать его гораздо менее надежным ( не будем забывать, что сотни или даже тысячи людей могут зависеть от мощности одного трансформатора, который должен надежно работать не только изо дня в день, но и из года в год).
Поэтому вероятное повышение температуры трансформатора во время работы является очень важным фактором при его конструкции. Типичная «нагрузка» (насколько интенсивно он используется), сезонный диапазон наружных (окружающих) температур и даже высота над уровнем моря (которая снижает плотность воздуха и, следовательно, насколько эффективно он что-то охлаждает) — все это необходимо принять во внимание, чтобы выяснить, насколько эффективно будет работать наружный трансформатор.

На практике большинство крупных трансформаторов имеют встроенные системы охлаждения, в которых используется воздух, жидкость (масло или вода) или и то, и другое для отвода отработанного тепла. Обычно основная часть трансформатора (сердечник, первичная и вторичная обмотки) погружается в масляный бак с теплообменником,
насос и охлаждающие ребра. Горячее масло перекачивается из верхней части трансформатора через теплообменник (который охлаждает его) и обратно в нижнюю часть, готовое к повторению цикла. Иногда масло перемещается по контуру охлаждения только за счет конвекции без использования отдельного насоса. Некоторые трансформаторы имеют электрические вентиляторы, которые продувают воздух мимо охлаждающих ребер теплообменника для более эффективного отвода тепла.

Работа: Большие трансформаторы имеют встроенную систему охлаждения. В этом случае сердечник и катушка трансформатора (красные) находятся внутри большого масляного бака (серого). Горячее масло, отбираемое из верхней части бака, циркулирует через один или несколько теплообменников, которые рассеивают отработанное тепло с помощью охлаждающих ребер (зеленые), а затем возвращают масло в тот же бак внизу. Иллюстрация из патента США 4,413,674: Структура охлаждения трансформатора, автор Randall N. Avery et al., Westinghouse Electric Corp., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Что такое твердотельные трансформаторы?

Из вышеизложенного вы поняли, что трансформаторы могут быть очень большими, очень неуклюжими, а иногда и очень неэффективными.
Начиная с середины 20 века, всевозможные ловкие электрические трюки, которые раньше выполнялись большими (а иногда и механическими)
вместо этого компоненты были сделаны в электронном виде с использованием так называемой «твердотельной» технологии.
Так, например, поменяны местами переключающее и усилительное реле.
для транзисторов,
в то время как магнитные жесткие диски все чаще заменяются флэш-памятью
(в таких вещах, как твердотельные накопители, твердотельные накопители и USB-накопители).

В течение последних нескольких десятилетий инженеры-электронщики работали над созданием так называемых твердотельных трансформаторов (ТПТ).
По сути, это компактные, мощные, высокочастотные полупроводниковые схемы, повышающие или понижающие напряжения с большей надежностью и
эффективность по сравнению с традиционными трансформаторами; они также гораздо более управляемы, так что больше
реагировать на изменения спроса и предложения. «Умные сети» (будущие системы электропередачи, питаемые от прерывистых источников энергии).
возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные фермы),
поэтому будут основным приложением. Несмотря на огромный интерес, SST
технология остается относительно малоиспользуемой до сих пор, но она, вероятно, будет
самая захватывающая область проектирования трансформаторов в будущем.

Узнайте больше

На этом сайте

• Электричество
• Электродвигатели
• Индукционные зарядные устройства
• Магнетизм
• Оптимизация напряжения

На других веб-сайтах

• История трансформатора: Очень хорошая хронология из Технического центра Эдисона, с некоторыми захватывающими фотографиями и видео.

Книги

Для читателей постарше

• Трансформаторы Дизайн и применение Роберта М. Дель Веккио и др. CRC Press, 2018. Подробное руководство по силовым трансформаторам.
• Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов полковника Уильяма Т. Маклаймана. CRC Press, 2011. Подробное практическое руководство по проектированию электрических машин с использованием индуктивности.
• Электрические трансформаторы и силовое оборудование Энтони Дж. Пансини. Fairmont Press, 1999. Объясняет теорию, конструкцию, установку и техническое обслуживание трансформаторов и различных типов трансформаторов, прежде чем перейти к соответствующим силовым устройствам, таким как автоматические выключатели, предохранители и защитные реле.
• «Трансформеры и моторы» Джорджа Патрика Шульца. Newnes, 1997. Эта книга имеет гораздо более практический, практический характер, чем некоторые другие книги, перечисленные здесь; он предназначен больше для электриков и людей, которым приходится работать с трансформаторами, чем для тех, кто хочет их проектировать.

Другие общие книги для младших читателей

• DK Очевидец: Электричество Стива Паркера. Дорлинг Киндерсли, 2005 г. Исторический взгляд на электричество и то, как люди применяют его на практике.
• Сила и энергия Криса Вудфорда. Facts on File, 2004. В одной из моих собственных книг описывается, как люди использовали энергию (включая электричество) на протяжении всей истории.

Патенты

Существуют сотни патентов на электрические трансформаторы различных типов. Вот несколько особенно интересных (ранних) из базы данных Ведомства по патентам и товарным знакам США:

• Патент США 351,589: Система распределения электроэнергии Люсьена Голара и Джона Гиббса, 26 октября 1886 г. Голар и Гиббс описывают, как трансформаторы могут быть используются для повышения и понижения напряжения для эффективного распределения электроэнергии — основы современной системы электроснабжения во всем мире.
• Патент США 433702: Электрический трансформатор или индукционное устройство Николы Теслы, 5 августа 1890 г. Тесла описывает фазосдвигающий трансформатор (тот, который может создавать разность фаз между первичным и вторичным токами).
• Патент США 497,113: Трансформаторный двигатель Отто Титуса Блати, 9 мая 1893 г. Комбинированный трансформатор и двигатель, произведенные одним из изобретателей трансформатора.
• Патент США 1422653: Электрический трансформатор для регулирования или изменения напряжения подаваемого от него тока, Эдмунд Берри, 11 июля 19 г.22. Трансформатор с циферблатом, позволяющим регулировать выходное напряжение.

Новостные статьи

• Трансформеры: супергерои электрических изобретений Вацлава Смила. IEEE Спектр. 25 июля 2017 г. На планете миллиарды трансформеров — в вашем смартфоне, ноутбуке, зубной щетке и где угодно; не пора ли нам ценить их немного больше? Включает горшечную историю.

Интеллектуальные трансформаторы

• сделают электросети чище и гибче, Субхашиш Бхаттачарья, IEEE Spectrum, 29 июня., 2017. Взгляд в будущее на твердотельных трансформаторах.
• Упражнение по замене трансформеров Crucial (не голливудского типа) Мэтью Л. Уолда. Нью-Йорк Таймс. 14 марта 2012 г. Если трансформаторы являются важной частью энергосистемы, как их можно удалить во время технического обслуживания или отказа компонентов?
• Next for the Grid: Solid State Transformers, Майкл Канеллос, Green Tech Media, 15 марта 2011 г. Обзор того, как твердотельные трансформаторы могут революционизировать наши электрические сети.

Каталожные номера

1. ↑   Напряжение передачи варьируется от страны к стране в зависимости от расстояния, на которое необходимо передать электроэнергию, но обычно колеблется от 45 000 до 750 000 вольт.
   (45–750 кВ). Однако некоторые линии дальней связи работают при напряжении более 1 миллиона вольт (1 000 000 вольт или 1000 кв).
   См. «Технологии защиты систем передачи переменного тока сверхвысокого напряжения» Bin Li et al. Эльзевир, 2020, стр. 1–5.
   Высоковольтные линии относятся к классу 45–300 кВ; диапазон сверхвысоких напряжений от 300 кВ до 750 кВ; и сверхвысокие напряжения, как правило, выше 800 кВ, в соответствии с «Воздушные линии электропередач: планирование, проектирование, строительство» Фридриха Кисслинга и др. ,
   Спрингер, 2003/2014, стр. 6.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2007, 2021. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подписывайтесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.