Электротрансформатор: использование, структура, эффективность и принцип работы
Трансформатор — это устройство, используемое для повышения или понижения напряжения переменного тока, оно используется в некоторых бытовых приборах, таких как звонки и холодильники, оно используется для уменьшения потерь энергии при передаче от генераторов на электростанциях в отдаленные места. где он может быть распределен между зданиями для использования.
Конструкция электрического трансформатора
Две катушки: первичная катушка и вторичная катушка из медных проводов из-за небольшого значения удельного сопротивления меди, поэтому сопротивление катушки становится небольшим и уменьшает потери энергии внутри нее в виде тепла.
Две катушки намотаны вокруг сердечника из мягкого железа, сделанного из тонких листов кремнийорганического железа (пластин), изолированных друг от друга из-за большой проницаемости железа, которая концентрирует плотность магнитного потока, и когда сердечник сделан из тонких листов железа. его сопротивление увеличивается, что снижает вихревые токи, а также потери энергии в проводах.
Его виды:
- Повышающие трансформаторы, используемые на электростанциях.
- Понижающие трансформаторы, используемые в зонах, где энергия должна распределяться между зданиями.
Как это работает
Научная база зависит от взаимной индукции между двумя катушками . Первичная катушка подключается к источнику переменного тока, который необходимо преобразовать . Вторичная катушка подключается к электрической цепи, на которую требуется подавать определенное значение разности потенциалов .
Когда цепь вторичной катушки закрыта, электрический ток проходит в первичной катушке и переменное магнитном поле генерируется, Железный сердечник концентрирует магнитный поток , образующийся в результате переменного тока и делает линии такого поля прохода через вторичный витки катушки.
Из-за изменения магнитного поля от первичной катушки, наведенная ЭДС генерируется во вторичной катушке с той же частотой . Индуцированная ЭДС во вторичной катушке будет больше или меньше, чем у источника, в зависимости от соотношения между количество витков вторичной обмотки относительно первичной обмотки.
Связь двух ЭДС в катушках идеального трансформатора
Когда разность потенциалов (V p ) прикладывается к первичной обмотке трансформатора с ее числом витков (N p ), тогда наведенная ЭДС (V s ), генерируемая во вторичной обмотке, равна ее числу витков (N s ):
V s = — N s ΔΦ m / Δt
Где: ΔΦ м / Δt — скорость магнитных линий , пересекающих вторичную обмотку.
Электродвижущая сила в первичной обмотке, в свою очередь, связана со скоростью изменения магнитного потока и определяется соотношением:
V p = — N p ΔΦ m / Δt
Предположим, что потери магнитной энергии отсутствуют, разделив два приведенных выше соотношения, получим следующую формулу:
V s / V p = N s / N p
Если N s > N p, то (ЭДС) s > (ЭДС) p и трансформатор является повышающим трансформатором.
Если N s <N p, то (ЭДС) s <(ЭДС) p и трансформатор является понижающим трансформатором.
Соотношение сил тока в двух катушках идеального трансформатора
Предположим, что в трансформаторе нет потерь электроэнергии (почти нулевое сопротивление), тогда согласно закону сохранения энергии , электрическая энергия , отдаваемая источником в первичной катушке, должна быть равна той, которая поступает в нагрузку. во вторичной обмотке.
V p I p t = V s I s t
От которого входная мощность (для первичной обмотки) равна выходной мощности (для вторичной обмотки)
V p I p = V s I s , ∴ V s / V p = I p / I s
V s / V p = N s / N p , ∴ I p / I s = N s / N p
Это показывает, что сила электрического тока в любой из двух катушек обратно пропорциональна количеству ее витков, если количество витков вторичной катушки вдвое больше, чем у первичной катушки, тогда сила тока во вторичной катушке равно половине первичной обмотки.
Когда цепь вторичной катушки разомкнута, электрический ток в первичной катушке почти исчезает, потому что самоиндукция в первичной катушке генерирует наведенную ЭДС, которая уравновешивает ЭДС внешнего источника, небольшая часть которого может потребляться в сопротивлении провод.
Электрический трансформатор не может использоваться для повышения или понижения ЭДС постоянного тока, потому что магнитный поток из-за постоянного тока постоянен, поэтому не может возникнуть наведенная ЭДС, которая является основой работы электрического трансформатора.
Индуцированная ЭДС в первичной катушке зависит от скорости изменения магнитного потока. Индуцированная ЭДС в первичной катушке ограничивает электрический ток, проходящий через нее, чтобы не увеличиваться и не сжигать первичную катушку.
Понижающий трансформатор, который снижает потенциал, считается трансформатором с повышением тока, и наоборот, потому что мощность постоянна, поэтому разность потенциалов обратно пропорциональна силе электрического тока на основе соотношения: I = P w / V
Повышающий трансформатор используется для повышения электрического потенциала на электростанциях. Понижающий трансформатор используется для понижения электрического потенциала в распределительных зонах.
Электроэнергия на электростанциях (электростанциях)
Шаг трансформатора используется для повышения электрического потенциала к очень высокому значению , которое связанно с уменьшением тока до очень низкого значения, следовательно, потери уменьшаются в электрической энергии при передаче энергии вдоль больших расстояний, Это потому , что потеряли власть в проводах = I² R, падение потенциала = I R.
Где: I — сила электрического тока, проходящего через провода, а R — омическое сопротивление проводов, из которого ясно, что мощность, потребляемая в проводах, прямо пропорциональна квадрату силы тока .
Уменьшая силу тока, проходящего по линиям передачи, на 1/100 от его значения в первичной обмотке с помощью понижающего трансформатора, потери энергии уменьшаются на 1/10000 от его значения.
Электроэнергия в распределительных зонах
Понижающий трансформатор используется для понижения разности потенциалов до 220 В, что является рабочим напряжением в домашних условиях для электроприборов.
Мощность в распределительных зонах = Мощность на электростанции — Мощность, потерянная в проводах
КПД трансформатора
Если в трансформаторе нет потерь электрической энергии , электрическая энергия, генерируемая во вторичной катушке, равна электрической энергии, доступной в первичной катушке, то эффективность трансформатора считается 100%, но такой идеальный трансформатор недоступен. в повседневной жизни.
Причины потери электроэнергии в электротрансформаторе и как ее минимизировать
- Часть электрической энергии в проводах преобразуется в тепловую , ее можно уменьшить, используя металлические провода с наименьшим омическим сопротивлением.
- Часть электрической энергии преобразуется в железном сердечнике в тепловую энергию за счет вихревых токов , поэтому сердечник состоит из тонких изолированных листов кремнийорганического мягкого железа с высоким удельным сопротивлением.
- Часть электрической энергии преобразуется в механическую энергию, потребляемую при колебаниях молекул ядра, поэтому мягкое железо используется для легкости движения его магнитных молекул.
- Утечка некоторых линий магнитного потока , поэтому они не перекрывают вторичную катушку, поэтому вторичная катушка ранена вокруг первичной катушки и изолирована от нее.
КПД трансформатора (η) — это отношение электрической мощности вторичной катушки к мощности первичной катушки, или это отношение между электрической энергией, полученной от вторичной катушки, к энергии, передаваемой от источника к первичной обмотке. катушка в одно и то же время.
Эффективность определяется соотношением: η = [(P w ) s / (P w ) p ] × 100%
η = [V s I s / V p I p ] × 100%
Когда КПД электрического трансформатора составляет 80%, это означает, что отношение между электрической энергией, полученной от вторичной обмотки, к энергии, переданной от источника к первичной обмотке за то же время = 80/100.
В случае электрического трансформатора с двумя вторичными обмотками, каждая из которых подключена к другому устройству, тогда:
При эксплуатации каждого устройства отдельно:
В п / (В с ) 1 = Н п / (Н с ) 1
В п / (В с ) 2 = Н п / (Н с ) 2
При одновременном использовании двух устройств:
(P w ) p = (P w ) s1 + (P w ) s2
V p I p = (V s ) 1 (I s ) 1 + (V s ) 2 (I s ) 2