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:

  1. Повышающие трансформаторы, используемые на электростанциях.
  2. 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 ):

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:

p = — N p ΔΦ m / Δt

Предположим, что потери магнитной энергии отсутствуют, разделив два приведенных выше соотношения, получим следующую формулу:

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.

p I p t = V s I s t

От которого входная мощность (для первичной обмотки) равна выходной мощности (для вторичной обмотки)

p I p = V s I s        , ∴ V s / V p = I p / I s

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

  1. Часть электрической энергии в проводах преобразуется в тепловую , ее можно уменьшить, используя металлические провода с наименьшим омическим сопротивлением.
  2. 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.
  3. Часть электрической энергии преобразуется в механическую энергию, потребляемую при колебаниях молекул ядра, поэтому мягкое железо используется для легкости движения его магнитных молекул.
  4. 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

p I p = (V s ) 1   (I s ) 1 +  (V s ) 2  (I s ) 2