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.

определение, устройство, виды конструкций и обозначение на схеме

Большинство начинающих радиолюбителей да и просто тех, кто увлекается радиотехникой, интересуют вопросы о том, что такое трансформатор, как он работает и для чего служит. На самом деле все очень просто: трансформатор служит для преобразования переменного тока из одного значения с определённой частотой (параметром) в другое с идентичным параметром.

• Устройство трансформатора
  • Магнитная система
  • Конструкция обмотки
  • Топливный бак
• Принцип работы
  • Функциональные режимы
  • Виды изделий
• Обозначение на схемах

Устройство трансформатора

В соответствии с ГОСТ 16110 −82, определение трансформатора выглядит следующим образом: трансформатор — это электромагнитное устройство статистического типа, которое оснащено двумя или более обмотками, обладающими индуктивной связью, и предназначенное для преобразования одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем.

Это электромагнитное изделие обладает простой конструкцией, состоящей из следующих элементов: магнитопровод (магнитной системы), обмотки, обмоточные каркасы, изоляция (не во всех трансформаторах), система охлаждения. дополнительные элементы. На практике производители для изготовления трансформаторов используют одну из трёх базовых концепций:

1. Стержневая. Обмотки наматываются на крайние стержни.
2. Броневая. Боковые стенки остаются без обмоток.
3. Тороидальная. Обладает формой кольца с равномерной намоткой обмоток по всей окружности.

Стоит отметить, что выбор той или иной концепции не оказывает влияния на конечные параметры трансформатора и не сказывается на эксплуатационной надёжности, но, тем не менее существенно различается по технологии изготовления.

Магнитная система

Магнитопроводы для трансформатора обладают определённой геометрической формой и изготавливаются из ряда материалов, к которым относится электротехническая сталь, пермаллой, феррит или иной материал, обладающий ферромагнитными свойствами. В зависимости от материала и конструкции магнитопровод может набираться из пластин, прессоваться, навиваться из тонкой ленты, собираться из двух, четырех и более «подков».

В качестве каркаса для размещения основных обмоток выступают стержни. Они могут обладать различным пространственным расположением, в зависимости от которого различают несколько видов систем.

1. Плоская магнитная система с продольными осями стержней и ярм, расположенными в одной плоскости.
2. Пространственная система, где продольные оси стержней располагаются в разных плоскостях.
3. Симметричняа система, оснащённая идентичными стержнями, которые обладают одинаковым взаимным расположением по отношению к ярмам.
4. Несимметричная система, состоящую из стержней, некоторые из которых могут отличаться по форме, конструкции и размерам, с различным взаимным расположением по отношению к ярмам.

Конструкция обмотки

Обмотка — это основной элемент трансформатора. Она представляет собой многовитковую конструкцию, изготовленную из одной или нескольких медных (реже алюминиевых) проволок различного диаметра. Как правило, в силовых трансформаторах используются проводники с квадратным сечением, которое позволяет более эффективно использовать имеющееся пространство, за счёт чего увеличивается коэффициент заполнения (К).

Для предотвращения возникновения короткого замыкания каждая обмотка изолируется. В качестве изолирующего материала может быть использована специальная бумага или эмалевый лак. Кстати, если для изготовления обмотки были использованы две отдельно изолированные и параллельно соединённые проволоки, то они могут быть оснащены общей бумажной изоляцией.

Топливный бак

Бак является одним из важнейших дополнительных элементов трансформатора. Он представляет собой ёмкость, предназначенную для хранения трансформаторного масла, а также обеспечения физической защиты активного компонента. Кроме того, корпус бака предназначен для монтажа вспомогательного оборудования и управляющего устройства.

Одним из внутренних элементов бака является сильноточный резонатор. Он подвержен быстрому и частому перегреву в моменты увеличения номинальной мощности и трансформаторных токов. Для снижения риска перегрева вокруг резонаторов устанавливают вставки из немагнитных материалов.

Внутреннее покрытие бака изготавливается из токопроводящих щитков, которые не пропускают магнитные потоки через стены ёмкости. Иногда встречается покрытие, которое изготавливается из материала, обладающего низким магнитным сопротивлением. Такой вариант покрытия поглощает внутренние потоки до подхода к стенкам бака.

Перед заменой топлива из бака выкачивают воздух с целью предотвратить снижение диэлектрической прочности изоляции трансформатора. Из этого наблюдается дополнительное предназначение бака, которое заключается в выдерживании давления атмосферы с минимальной деформацией.

Принцип работы

Трансформаторы функционируют на основании двух принципов: электромагнетизма — создания изменяющегося во времени магнитного потока под воздействием электрического тока, который также изменяется, и электромагнитной индукции — наводки ЭДС (электродвижущей силы), вследствие изменения магнитного потока, проходящего через обмотку.

Включение трансформатора происходит после подачи напряжения на первичную обмотку. Совместно с напряжением на обмотку поступает и переменный ток, участвующий в образовании переменного магнитного потока в магнитопроводе. Это создаёт ЭДС во всех обмотках устройства.

Выходное напряжение (вторичная обмотка) сложным образом связано с формой входного напряжения. Эти сложности обусловили создание линейки новых трансформаторов, которые начали использовать для решения альтернативных задач, например, усиления тока, умножения частоты и генерации сигналов.

Функциональные режимы

Трансформаторы могут функционировать в трёх режимах: холостого хода (ХХ) — 1, нагрузки — 2 и короткого замыкания — 3.

Режим 1: ХХ. Особенностью этого режима является то, что вторичная трансформаторная цепь находится в разомкнутом состоянии, поэтому по ней ток не протекает. В таком положении цепи токовый потенциал равен нулю, что создаёт в первичном контуре ток холостого хода, обладающего реактивной и активной составляющей. Эта ЭДС способна полностью компенсировать питающее напряжение. Такой режим используется для определения КПД и уровня потерь в сердечнике.

Режим 2: нагрузки. В этом режиме привычная обмотка трансформатора запитывается от стороннего источника питания, а к вторичной цепи подключается нагрузка. После подключения нагрузки по вторичной цепи начинает протекать ток, который создаёт магнитный поток, направленный в противоположную сторону от потока первичной обмотки. Это провоцирует неравенство между двумя силами — индукции и источника питания, что увеличивает ток, который протекает по первичной обмотке до момента возращения магнитного потока в первоначальное значение. Этот режим является основным рабочим режимом для трансформаторов.

Режим 3: КЗ. Для получения этого режима вторичный контур трансформатора замыкается накоротко, а к первичной обмотке подводится низкое переменное напряжение. Значение входного напряжения выбирают таким, чтобы ток КЗ получился равным номинальному. Такой режим используют для определения потерь на нагрев обмоток в цепи трансформатора.

Виды изделий

С 30 ноября 1876 года, считающегося датой создания первого трансформатора, прошло уже достаточно много времени. За этот период устройства были значительно изменены как в конструктивном плане, так и по характеристикам. На сегодняшний день существуют следующие виды трансформаторов:

• Силовой трансформатор переменного тока. Такие трансформаторы применяются в сетях энергоснабжения и электроустановках, которые предназначены для приёма и использования электроэнергии. Эти трансформаторы используются из того, что по всей длине трассы присутствуют различные рабочие напряжения, например, на ЛЭП (линии электропередачи) оно может варьироваться от 0,035 до 0,75 МВ (мегавольт), а в трансформаторных подстанциях равняется 400 В, которые впоследствии преобразуются в привычные 220/380 В.
• Автотрансформатор. Вариант трансформатора с прямым соединением первичной и вторичной обмотки, которое создаёт не только электромагнитную, но и электрическую индукцию. Автотрансформаторы оснащаются многовыводными обмотками, чьё минимальное количество равняется трём. Они используются в качестве элемента, соединяющего эффективно заземлённые сети напряжением от 0,11 МВ с коэффициентом трансформации от 3 до 4. Автотрансформаторы обладают двумя ключевыми преимуществами и одним небольшим недостатком. К первым относятся экономичность (из-за снижения расходов на покупку меди для обмоток и стали для сердечника) и высокий КПД — из-за частичного преобразования входной мощности. Недостаток — это отсутствие гальванической развязки — электрической изоляции между первичной и вторичной цепью.
• Трансформатор тока. Устройство с первичной обмоткой, запитывающейся от стороннего источника тока, при этом вторичную цепь стараются изготовить таким образом, чтобы она работала в режиме близком к короткому замыканию. Подключение первичной обмотки производится последовательно к цепи с нагрузкой. В этой цепи протекает переменный ток, который нужно контролировать. Для приближения к режиму КЗ к вторичной цепи подключают вольтметры или индикаторы, например, реле или светодиод. Наличие дополнительных элементов во вторичной цепи обусловило одну из областей применения подобных трансформаторов, заключающуюся в снижении токов первичной обмотки до значений, которые могут использоваться в целях измерения, защиты, управления и сигнализации.
• Сварочный трансформатор. Устанавливается в сварочных аппаратах и используется для преобразования сетевого напряжения 220/380 вольт в более низкие значения, а также для повышения уровня тока. Ток можно регулировать изменением индуктивного сопротивления или вторичного напряжения ХХ. Это выполняется секционированием числа витков первичной или второй обмотки соответственно.
• Разделительный трансформатор. Отличается от остальных устройств подобного типа отсутствием электрической связи между первичной и вторичной обмотками. Разделительные устройства применяются в электросетях с целью обеспечения безопасности людей при обрыве линий или других чрезвычайных происшествиях, которые могут нанести вред, а также с целью обеспечения гальванической развязки.

Обозначение на схемах

Трансформатор на схеме обозначается следующим образом: по центру чертится толстая линия, которая отображает сердечник, слева от неё в вертикальной плоскости изображается катушка (витками к сердечнику) — первичная обмотка, а справа ещё одна или несколько катушек — вторичные обмотки.

В общем случае схематическое отображение линии, обозначающей сердечник, должно соответствовать толщине витков изображённых катушек. При необходимости подчёркивания материала или особенностей конструкции сердечника на схеме немного видоизменяют центральную линию. Так, классический ферритовый сердечник обозначают сплошной жирной линией, а сердечник, обладающий магнитным зазором, — тонкой линией с разрывом посередине. Магнитодиэлектрические сердечники отображаются тонкой пунктирной линией.

Трансформатор — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рис. 1. Трансформатор для распределения электроэнергии с монтажной площадкой. ^[1]

Трансформатор представляет собой электрическое устройство, использующее электромагнитную индукцию для передачи сигнала переменного тока (AC) из одной электрической цепи в другую, часто изменяя (или «трансформируя») напряжение и электрический ток. Трансформаторы не пропускают постоянный ток (DC) и могут использоваться для извлечения постоянного напряжения (постоянного напряжения) из сигнала, сохраняя при этом изменяющуюся часть (переменное напряжение). В электрической сети трансформаторы играют ключевую роль в изменении напряжения, чтобы уменьшить потери энергии при передаче электроэнергии.

Трансформаторы изменяют напряжение электрического сигнала, выходящего из электростанции, обычно повышая (также известное как «повышение») напряжения. Трансформаторы также снижают («понижают») напряжение на подстанциях и в качестве распределительных трансформаторов. ^[2] Трансформаторы также используются в составе устройств, как и трансформаторы тока.

Как работают трансформаторы

Часто кажется удивительным, что трансформатор сохраняет общую мощность неизменной при повышении или понижении напряжения. Следует иметь в виду, что при повышении напряжения ток падает:

[математика]P=I_1 V_1 = I_2 V_2 [/math]

Трансформаторы используют электромагнитную индукцию для изменения напряжения и тока. Это изменение называется действием трансформатора и описывает, как трансформатор изменяет сигнал переменного тока с его первичной на вторичную составляющую (как в приведенном выше уравнении). Когда сигнал переменного тока подается на первичную катушку, изменяющийся ток вызывает изменение магнитного поля (становится больше или меньше). Это изменяющееся магнитное поле (и связанный с ним магнитный поток) будет проходить через вторичную обмотку, индуцируя напряжение во вторичной обмотке, тем самым эффективно соединяя вход переменного тока с первичного и вторичного компонентов трансформатора. Напряжение, приложенное к первичному компоненту, также будет присутствовать во вторичном компоненте.

Как упоминалось ранее, трансформаторы не пропускают вход постоянного тока. Это известно как изоляция постоянного тока. ^[2] Это связано с тем, что изменение тока не может быть вызвано постоянным током; это означает, что нет изменяющегося магнитного поля, индуцирующего напряжение на вторичном компоненте.

Рис. 1. Простой рабочий трансформатор. ^[3] Ток [math]I_p[/math] приходит вместе с напряжением [math]V_p[/math]. Ток проходит через [math]N_p[/math] обмотки, создавая магнитный поток в железном сердечнике. Этот поток проходит через [math]N_s[/math] петель провода в другой цепи. Это создает ток [math]I_s[/math] и разность напряжений во второй цепи [math]V_s[/math]. Электрическая мощность ([math]V\times I[/math]) остается прежней.

Основополагающим принципом, позволяющим трансформаторам изменять напряжение переменного тока, является прямая зависимость между отношением витков провода в первичной обмотке ко вторичной обмотке и отношением первичного напряжения к выходному напряжению. Отношение между количеством витков (или петель) в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке известно как отношение витков . Соотношение витков устанавливает следующую связь с напряжением:

• [math]N_p[/math] = число витков в первичной обмотке
• [math]N_s[/math] = количество витков во вторичной обмотке
• [math]V_p[/math] = Напряжение на первичной обмотке
• [math]V_s[/math] = Напряжение на вторичной обмотке
• [math]I_p[/math] = Ток через первичную обмотку
• [math]I_s[/math] = Ток во вторичной обмотке

Из этого уравнения, если количество витков в первичной обмотке больше, чем количество витков во вторичной обмотке ([math]N_p \gt N_s [/math]), то напряжение на вторичной обмотке будет меньше , чем в первичной обмотке. Это известно как «понижающий» трансформатор, потому что он снижает или понижает напряжение. В таблице ниже показаны распространенные типы трансформаторов, используемых в электрической сети.

Преобразователь один к одному будет иметь одинаковых значений для всего и используется главным образом для целью обеспечения изоляции постоянного тока.

Понижающий трансформатор будет иметь более высокое первичное напряжение , чем вторичное напряжение, но более низкое значение первичного тока , чем его вторичный компонент.

В случае повышающего трансформатора первичное напряжение будет ниже , чем вторичное напряжение, что означает больший первичный ток , чем вторичный компонент.

КПД

В идеальных условиях напряжение и ток для любого трансформатора изменяются в один и тот же коэффициент, что объясняет, почему значение первичной мощности равно значению вторичной мощности для каждого случая в приведенной выше таблице. Когда одно значение уменьшается, другое увеличивается, чтобы поддерживать постоянный равновесный уровень мощности. ^[2]

Трансформаторы могут быть очень эффективными. Трансформаторы большой мощности могут достигать отметки эффективности 99% в результате успехов в минимизации потерь трансформатора. Однако мощность трансформатора всегда будет несколько ниже, чем на входе, так как полностью исключить потери невозможно. Есть некоторое сопротивление трансформатора.

Чтобы узнать больше о трансформерах, см. гиперфизику.

Для дополнительной информации

Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

• Электротрансмиссия
• Электрическая сеть
• Электрическая розетка
• Распределительная сеть
• Или исследуйте случайную страницу!

Ссылки

1. ↑ sdpitbull через Flickr [онлайн], доступно: https://www.flickr.com/photos/stevestr/4624935949
2. ↑ ^{2.0 2.1 2.2} Р.Т. Пейнтер, «Основные электрические компоненты и счетчики», в Introduction to Electricity , 1-е изд. Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2011, гл. 21, с. 21.1, стр. 903-908.
3. ↑ с http://www.kwiznet.com/p/takeQuiz.php?ChapterID=10654&CurriculumID=41&Num=3.15, по состоянию на 24 ноября 2014 г.

Как работают электрические трансформаторы?

Как работают электрические трансформаторы? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Электричество и электроника >
Трансформеры

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

Реклама

org/Person»> 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.

Содержание

1. Почему мы используем высокое напряжение?
2. Как работает трансформатор?
3. Понижающие трансформаторы
4. Повышающие трансформаторы
5. Трансформаторы 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 электричеством небольшую английскую деревушку, где я живу. Его высота составляет около 1,5 м (5 футов), и его работа 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 в чем умная часть), если у нас будет больше или меньше ходов
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.

Трансформаторы понижающие

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 внутренней сети 110–240 вольт.
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 (например, те, которые используются в iPod и
мобильных телефонов) 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, Теннесси.
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 резервуара, циркулирует через один или несколько теплообменников, которые рассеивают отработанное тепло с помощью охлаждающих ребер (зеленые), прежде чем масло возвращается в тот же резервуар 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.
• Трансформаторы и двигатели 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 США по патентам и товарным знакам:

• Патент США 351,589: Система распределения электроэнергии Люсьена Голара и Джона Гиббса, 26 октября 1886 г. используются для повышения и понижения напряжения для эффективного распределения электроэнергии — основы современной системы электроснабжения во всем мире.
• Патент США 433,702: 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 сеть 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 междугородние линии 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 эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.