Трансформатор это: принцип работы, виды и конструкция устройства

Содержание

Трансформаторы — устройство, принцип работы и область применения, основные типы и характеристики


Электрика » Электрооборудование » Трансформаторы

Трансформаторы

Трансформаторы — это устройства предназначенные для преобразования электроэнергии. Их основная задача — изменение значения переменного напряжения.

Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.

Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.

Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.

Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.

После того как трансформатор подсоединяют к источнику переменного тока в его первичная обмотка формирует переменный магнитный поток. По магнитопроводу он передается на витки вторичной обмотки, индуцируя в них переменную ЭДС (электродвижущую силу). При наличии устройства потребления в цепи вторичной обмотки возникает электрический ток.

Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток.

Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W1/W2=U1/U2, где:

  • W1, W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно;
  • U1,U2 — входное и выходное напряжения соответственно.

Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией. Микро трансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги.

ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы — это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на:

Автотрансформаторы.
Они имеют одну обмотку с несколькими отводами. За счет переключения между этими отводами можно получить разные показатели напряжения. К недостаткам следует отнести отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.
Импульсные трансформаторы.
Предназначены для преобразования импульсного сигнала незначительной продолжительности (около десятка микросекунд). При этом форма импульса искажается минимально. Обычно используется в цепях обработки видеосигнала.
Разделительный трансформатор.
Конструкция этого устройства предусматривает полное отсутствие электрической связи между первичной и вторичными обмотками, то есть обеспечивает гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Используется для повышения электробезопасности и, как правило, имеет коэффициент трансформации равный единице.
Пик—трансформатор.
Используется для управления полупроводниковыми электрическими устройствами типа тиристоров. Преобразует синусоидальное напряжение переменного тока в пикообразные импульсы.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения.

Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.

Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.

Кроме того производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

  • уровень напряжения: высоковольтный, низковольтный, высоко потенциальный;
  • способ преобразования: повышающий, понижающий;
  • количество фаз: одно- или трехфазный;
  • число обмоток: двух- и многообмоточный;
  • форму магнитопровода: стержневой, тороидальный, броневой.

Один из основных параметров — это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.

Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.

Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.

Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования.

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

Силовые.

Являются наиболее распространенным типом промышленного трансформатора. Применяются для повышения и понижения напряжения. Используется в линиях электропередач. По пути от электрогенерирующих мощностей до потребителя электроэнергия может несколько раз проходить через повышающие силовые трансформаторы, в зависимости от удалённости конкретного потребителя.

Перед подачей непосредственно на приборы потребления (станки, бытовые и осветительные приборы) электроэнергия претерпевает обратные преобразования, проходя через силовые понижающие трансформаторы.

Тока.

Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

  • измерительные — подающее ток на приборы измерения и контроля;
  • защитные — подключаемые к защитным цепям;
  • промежуточные — используется для повторного преобразования.

Напряжения.

Они применяются для преобразования напряжения до нужных величин. Кроме того, такие устройства используются в цепях гальванической развязки и электро- радио- измерениях.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов


назначение и зачем нужен, устройство и принцип работы, различные виды

Электромагнитные статические устройства используются для создания и применения магнитного поля. Случаев, зачем нужен трансформатор в электронных, электрических цепях и радиотехнике, существует много. Устройство оснащено индуктивными обмотками, взаимно связанными на магнитопроводе. Сеть способствует возникновению переменного поля, а трансформатор с помощью электромагнитной индукции придает току постоянные значения без изменения частоты.

transformator

 

Определение и назначение

Для питания приборов нужны напряжения различных характеристик. Трансформатор — это конструкция для использования индукционной работы магнитного поля. Ленточные или проволочные катушки, объединенные общим потоком, понижают или увеличивают напряжение. В телевизоре применяется 5 В для работы транзисторов и микросхем, питание кинескопа требует нескольких киловольт при использовании каскадного генератора.

Изолированные обмотки располагаются на сердечнике из спонтанно намагниченного материала с определенным значением напряженности. Старые агрегаты использовали существующую частоту сети, около 60 Гц. В современных схемах питания электроприборов применяют импульсные трансформаторы с высокой частотой. Переменное напряжение выпрямляется и преобразовывается при помощи генератора в величину с заданными параметрами.

Напряжение стабилизируется благодаря управляющей установке с импульсно-широтной модуляцией. Высокочастотные всплески передаются трансформатору, на выходе получают стабильные показатели. Массивность и тяжесть приборов прошлых лет сменяется легкостью и небольшими размерами. Линейные показатели агрегата пропорциональны мощности в отношении 1:4, для уменьшения габаритов устройства увеличивается частота тока.

Массивные приборы используют в схемах электроснабжения, если требуется создать минимальный уровень рассеяния помех с высокой частотой, например при обеспечении качественного звука.

ulichniy transformator

Устройство и принцип работы

Производитель выбирает базовые правила функционирования агрегата, но это не влияет на надежность эксплуатации. Отличаются концепции процессом изготовления. Принцип действия трансформатора основывается на двух положениях:

  • изменяющееся движение направленных носителей заряда создает переменное магнитное силовое поле;
  • влияние на силовой поток, передаваемый через катушку, продуцирует электродвижущую силу и индукцию.

Устройство состоит из следующих частей:

  • магнитный привод;
  • катушки или обмотки;
  • основа для расположения витков;
  • изолирующий материал;
  • охладительная система;
  • другие элементы крепления, доступа, защиты.

Работа трансформатора осуществляется по виду конструкции и сочетания сердечника и обмоток. В стержневом типе проводник заключен в обмотках, его трудно рассмотреть. Витки спирали видны, просматривается верх и низ сердечника, ось располагается вертикально. Материал, из чего состоит виток, должен хорошо проводить электричество.

В изделиях броневого типа стержень скрывает большую часть оборотов, он ставится горизонтально или отвесно. Тороидальная конструкция трансформаторов предусматривает расположение на магнитопроводе двух независимых обмоток без электрической связи между собой.

Магнитная система

Выполняется из легированной трансформаторной стали, феррита, пермаллоя с сохранением геометрической формы для продуцирования магнитного поля агрегата. Проводник конструируется из пластин, лент, подков, его изготавливают на прессе. Часть, на которой располагается обмотка, называются стержнем. Ярмо — это элемент без витков, выполняющий замыкания цепи.

Принцип действия трансформатора зависит от схемы стоек, которая бывает:

  • плоская — оси ярм и сердечников находятся в единой плоскости;
  • пространственная — продольные элементы устраиваются в разных поверхностях;
  • симметричная — одинаковые по форме, размеру и конструкции проводники расположены ко всем ярмам аналогично другим;
  • несимметричная — отдельные стойки отличаются по виду, габаритам и ставятся в разных положениях.

Если предполагается, что через обмотку, которую называют первичной, протекает постоянный ток, то магнитный провод делают разомкнутым. В остальных случаях сердечник закрытый, он служит для замыкания силовых линий.

Обмотки

Делают в виде совокупности витков, устраиваемых на проводниках квадратного сечения. Форма используется для эффективной работы и повышения коэффициента заполнения в окне магнитопровода. Если требуется увеличить сечение сердечника, то его выполняют в виде двух параллельных элементов, чтобы уменьшить возникновение вихревых токов. Каждый такой проводник называется жилой.

Стержень оборачивается бумагой, покрывается эмалевым лаком. Иногда два сердечника, расположенных параллельно, заключают в общую изоляцию, комплект называется кабелем. Обмотки различают по назначению:

  • основные — к ним подводится переменный ток, выходит преобразованный электроток;
  • регулирующие — в них предусмотрены отводы для трансформации напряжения при невысокой силе тока;
  • вспомогательные — служат для снабжения своей сети с мощностью меньше номинального показателя трансформатора и подмагничивания схемы постоянным током.

obmotka

Способы обкручивания:

  • рядовая обмотка — обороты делают в направлении оси по всей длине проводника, последующие витки наматывают плотно, без промежутков;
  • винтовое обматывание — многослойная обвивка с просветами между кольцами или заходом на соседние элементы;
  • дисковая накрутка — спиральный ряд выполняется последовательно, в круге обвивание производится в радиальном порядке по внутреннему и наружному направлению;
  • фольговая спираль ставится из алюминиевого и медного широкого листа, толщина которого колеблется в пределах 0,1-2 мм.

Условные обозначения

Чтобы удобно читалась схема трансформатора, есть специальные знаки. Сердечник вычерчивается толстой линией, цифра 1 показывает первичную обмотку, вторичные витки обозначаются цифрами 2 и 3.

В некоторых схемах линия сердечника аналогична по толщине черте полуокружностей обвивки. Обозначение материала стержня различается:

  • магнитопровод из феррита чертят толстой линией;
  • стальной сердечник с магнитным зазором рисуют тонкой чертой с разрывом в середине;
  • ось из намагниченного диэлектрика обозначают тонким пунктиром;
  • медный стержень имеет на схеме вид узкой линии с условным обозначением материала по таблице Менделеева.

Для выделения катушечного вывода применяют жирные точки, обозначение мгновеннодействующей индукции одинаково. Используется для обозначения промежуточных агрегатов в каскадных генераторах для показания противофазности. Ставят точки, если требуется установить полярность при сборке и направление расположения обмоток. Число витков в первичной обмотке определяется условно, как не нормируется и количество полуокружностей, пропорциональность есть, но строго не соблюдается.

Основные характеристики

Холостой режим применяется при разомкнутом вторичном контуре трансформатора, в нем отсутствует напряжение. Ток проходит по первичной обвивке, возникает реактивное намагничивание. При помощи холостой работы определяют КПД, показатель трансформации и потери в сердечнике.

Функционирование под нагрузкой подразумевает подключение источника питания к первичной цепи, где протекает суммарный ток функционирования и холостого хода. Нагрузка подсоединяется к вторичному контуру трансформатора. Этот режим является распространенным.

Фаза короткого замыкания возникает, если сопротивление вторичной спирали составляет единственную нагрузку. В этом режиме определяются потери на нагревание катушки в цепи. Параметры трансформаторов учитываются в системе замещения прибора с помощью установки сопротивления.

Отношением потребляемой и отдаваемой мощности определяется коэффициент полезного действия трансформатора.

Область применения

Бытовые приборы имеют контакт с заземлением посредством нейтрального провода. Одновременное касание потребителем тока фазы и нулевой цепи ведет к замыканию контура и травме. Подключение через разделительный трансформатор позволяет обезопасить человека, т. к. вторичная обмотка не контактирует с землей.

Импульсные агрегаты используются при передаче прямоугольного толчка и трансформации коротких сигналов при нагрузке. На выходе изменяется полярность и амплитуда тока, но остается неизменным напряжение.

Измерительное оборудование постоянного тока является магнитным усилителем. Изменять переменное напряжение помогает направленное движение электронов небольшой мощности. Выпрямитель поставляет постоянную энергию и зависит от значений входного электричества.

Силовые агрегаты широко используются в генераторах тока малой величины, мощности, показатели в дизелях имеют средние значения. Трансформаторы монтируют последовательно с нагрузкой, прибор подключается к источнику первичной обмоткой, вторичный контур выдает преобразованную энергию. Значение выходного тока прямо пропорционально нагрузке. Используется оборудование с 3 магнитными стержнями, если генератор трехфазного тока.

Инвертирующие агрегаты имеют транзисторы одинаковой проводимости и на выходе усиливают только часть сигнала. Для полного преобразования напряжения импульс подается на оба транзистора.

Согласующее оборудование используют для подсоединения к электронным приборам с высоким сопротивлением на входе и выходе нагрузки с низким показателем прохождения электричества. Агрегаты полезны в высокочастотных линиях, где разница величин ведет к потерям энергии.

Типы трансформаторов

От номинального значения тока в первичном и вторичном контуре зависит классификация трансформаторов. В распространенных видах показатель находится в пределах 1-5 А.

Разделительный агрегат не предусматривает связь обеих спиралей. Оборудование обеспечивает гальваническую развязку, т. е. передачу импульса бесконтактным способом. Без нее протекающий между цепями ток ограничивается только сопротивлением, которое не принимается во внимание из-за малого значения.

Согласующий трансформатор обеспечивает согласование различных показателей сопротивления для минимизации искажения формы импульса на выходе. Служит для организации гальванической развязки.

Прежде чем выяснить, какие бывают трансформаторы силового направления, отмечают, что их выпускают для работы с сетями большой мощности. Приборы переменного тока изменяют показатели энергии в приемных установках и работают в местах с большой пропускной способностью и скоростью изменения электроэнергии.

Вращающий трансформатор не следует путать с вращающимся оборудованием — машиной для преобразования угла поворота в напряжение цепи, где эффективность зависит от частоты вращения. Прибор передает электроимпульс на подвижные части техники, например на головку видеомагнитофона. Двойной сердечник с отдельными обмотками, одна из которых поворачивается вокруг другой.

Масляный агрегат использует охлаждение катушек специальным трансформаторным маслом. Имеют магнитопровод замкнутого типа. В отличие от воздушных видов могут взаимодействовать с сетями большой мощности.

Сварочные трансформаторы для оптимизации работы оборудования, понижения напряжения и создания тока высокой частоты. Это происходит из-за изменения индуктивного сопротивления или показателей холостого хода. Ступенчатое регулирование выполняется компоновкой электрообмотки на проводниках.

vidy transformatorov

что это такое, принцип работы, разновидности, обмотка

Начиная с 19 века, трансформаторы начали приобретать все большее значение в электрике и электронике. Они остаются до сих пор обязательными элементами многих схем и есть практически в любом устройстве, которое потребляет электрический ток.

Принцип его работы основан на свойствах индукции. Трансформатор – это прибор, позволяющий регулировать ток, понижая его или наоборот, понижая. Был придуман он Фарадеем, почти 170 лет назад. Основные элементы, из которых состоит трансформатор – обмотки, которые и влияют на силу тока, тем самым изменяя его до требуемых значений.

В данной стать разобраны основные вопросы работы и устройства трансформатора. Также  статье есть видеоролик и скачиваемый файл по выбранной тематике.

Трансформатор

Трансформатор.

Что такое трансформатор

Трансформатор – это электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте. Действие трансформатора основано на использовании явления электромагнитной индукции.

Переменный электрический ток (ток, который изменяется по величине и по направлению) наводит в первичной катушке переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле, наводит переменное напряжение во вторичной обмотке. Величина напряжения ЭДС зависит от числа витков  в катушке и от скорости изменения магнитного поля.

Что такое трансформатор

Отношение числа витков первичной и вторичной обмоток определяет коэффициент трансформации:
k = w1 / w2;   где:

  • w1 — число витков в первичной обмотке;
  • w2 — число витков во вторичной обмотке.

Если число витков в первичной обмотке больше чем во вторичной — это понижающий трансформатор.

Если число витков в первичной обмотке меньше, чем во вторичной — это повышающий трансформатор.

Что такое трансформатор?

Один и тот же трансформатор может быть как понижающим, так и повышающим, в зависимости от того на какую обмотку подается переменное напряжение.

Трансформаторы без сердечника или с сердечником из высокочастотного феррита или альсифера — это высокочастотные трансформаторы ( частота выше 100 килогерц). Трансформаторы с ферромагнитным сердечником (сталь, пермаллой, феррит) – это низкочастотные трансформаторы (частота ниже 100 килогерц)

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Высокочастотные трансформаторы используются в устройствах техники электросвязи, радиосвязи и др. Низкочастотные трансформаторы используются в усилительной технике звуковых частот, в телефонной связи. Особое место трансформаторы со стальным (набор из стальных листов) сердечником занимают в электротехнике. Развитие электроэнергетики напрямую зависит от мощных, силовых трансформаторов. Мощности силовых трансформаторов имеют величины от нескольких ватт до сотен тысяч киловатт и выше. Классификация типов трансформаторов представлена в таблице ниже.

Типы трансформаторов

Таблица характеристик трансформаторов по их основным типам.

Что такое силовой трансформатор

На замкнутый сердечник (магнитопровод), набранный из стальных листов, надевают две или больше, обмоток, одна из которых соединяется с источником переменного тока. Другая (или другие) обмотка соединяется с потребителем электрического тока – нагрузкой. Переменный ток, проходящий по первичной обмотке, создает в стальном сердечнике магнитный поток, который наводит в каждом витке обмотки – катушки переменное напряжение. Напряжения всех витков складываются в выходное напряжение трансформатора.  Форма сердечника – магнитопровода, может быть Ш – образной, О – образной и тороидальной, в виде тора. Таким образом в силовом трансформаторе электрическая мощность из первичной обмотки передается во вторичную обмотку через магнитный поток в магнитопроводе.

силовой трансформатор

Потребителей электрической энергии очень много: электрическое освещение, электронагреватели, радио и теле аппаратура, электродвигатели и многое другое. И все эти приборы требуют различные напряжения (переменные и постоянные) и разные мощности. Проблема эта легко решается с помощью трансформатора. Из бытовой сети с переменным напряжением 220 вольт можно получить переменное напряжение любой величины и , если необходимо, преобразовать его в постоянное напряжение.

Коэффициент полезного действия трансформатора довольно велик, от 0,9 до 0,98 и зависит от потерь в магнитопроводе и от магнитных полей рассеяния.
От величины электрической мощности Р зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S.
По значению площади S определяется, при расчетах трансформатора, количество витков w на 1 вольт:

w = 50 / S.

Мощность трансформатора Рс выбирается из требуемой величины нагрузки Рн плюс величина потерь в сердечнике. 

Что такое трансформатор?

При расчете трансформатора с определенной степенью точности можно считать, что мощность нагрузки во вторичной обмотке Pн = Uн * Iн и мощность потребляемая из сети в первичной обмотке Pc = Uc * Ic приблизительно равны. Если  потерями в сердечнике  пренебречь, то получается равенство: k = Uс / Uн = Iн / Iс.

Трансформаторы и их применение

Трансформаторы и их применение/

Трансформаторы и их применение

Трансформатор – это устройство, служащее для повышения или понижения переменного напряжения без изменения его частоты и практически без потерь мощности. Трансформатор состоит из двух или более катушек, надетых на общий сердечник. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а катушка, к которой присоединяется нагрузка (потребители электрической энергии), – вторичной. Сердечники трансформаторов изготавливаются из электротехнической стали и набираются из отдельных изолированных друг от друга пластин (для уменьшения потерь энергии вследствие возникновения в сердечнике вихревых токов).

Трансформаторы и их применение

Катушки трансформатора, как правило, содержат разное количество витков, причем большее напряжение оказывается приложено к катушке с большим числом витков. Если трансформатор используется для повышения напряжения, то обмотка с меньшим числом витков подключается к источнику напряжения, а к обмотке с большим числом витков присоединяется нагрузка. Для понижения напряжения все делается наоборот. При этом не следует забывать, что подавать на первичную обмотку можно напряжение не больше номинального (того, на которое она рассчитана).

Трансформаторы и их применение

Коэффициентом трансформации называют отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке. Он равен также отношению ЭДС в обмотках.  При отсутствии потерь в обмотках коэффициент трансформации равен отношению напряжений на зажимах обмоток: k=U1/U2. Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего – меньше 1. Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При протекании переменного тока через первичную катушку вокруг нее возникает перемененное магнитное поле и магнитный поток, который пронизывает также и вторую катушку. В результате во вторичной катушке появляется вихревое электрическое поле и на ее зажимах возникает ЭДС индукции.

Трансформатор характеризуется коэффициентом полезного действия, равным отношению мощности, выделяющейся во вторичной катушке, к мощности, потребляемой первичной катушкой от сети. У хороших трансформаторов КПД составляет 99 – 99,5%. Важным свойством трансформатора является его способность преобразовывать сопротивление нагрузки. Рассмотрим трансформатор с КПД приблизительно равным 100%. В этом случае мощность, выделяющаяся во вторичной цепи трансформатора, будет равна мощности, потребляемой первичной обмоткой от источника напряжения. Для такого трансформатора мощность, потребляемая от источника напряжения, будет чисто активной. Мощность в первичной цепи трансформатора P1=(U12)/R1, а во вторичной цепи P2=(U22)/R2.

Так как P1=P2 и U1=kU2 , то R1=k2R2.

Таким образом, нагрузка сопротивлением R2, подключаемая к источнику переменного напряжения через трансформатор, по мощности будет эквивалентна нагрузке сопротивлением R1, подключаемой без трансформатора. Для регулировки переменного напряжения широко применяются лабораторные автотрансформаторы. Автотрансформаторы рассчитаны на подключение к сети переменного напряжения 220 В или 127 В. Как правило, выходное напряжение автотрансформатора регулируется плавно до 250 В.

Обмотка трансформатора выполнена изолированным проводом в один слой. На участках обмотки, которых касается подвижный контакт с угольной вставкой, изоляция очищена. При перемещении контакта угольная вставка закорачивает виток провода. Однако вследствие небольшого напряжения на одном витке и заметного сопротивления угольной вставки через замкнутый виток протекает допустимый ток.

Первичная обмотка автотрансформатора является частью его вторичной обмотки и поэтому между первичной и вторичной обмоткой трансформатора имеется гальваническая связь. К вторичной обмотке автотрансформатора нельзя непосредственно подключать потребители, один из проводов которых может оказаться соединенным с землей. Такое подключение приведет к аварии или несчастному случаю. При работе с автотрансформатором запрещается заземлять вторичную цепь. Рассмотрим кратко простейший расчет маломощных трансформаторов бытовой радиоаппаратуры.

Мощность трансформатора (в Вт) численно равна квадрату площади (в см2) поперечного сечения среднего стержня магнитопровода. Зная номинальную мощность трансформатора, можно  найти ток в первичной обмотке при номинальной нагрузке во вторичных обмотках. Диаметр провода обмотки выбирается из расчета (2,5-3)А/мм2 поперечного сечения провода. Для стандартных магнитопроводов, применяемых для изготовления трансформаторов, число витков на 1 вольт примерно равно частному от деления 50 на площадь поперечного сечения центрального стержня магнитопровода, выраженную в см2. Однако в зависимости от качества магнитопровода коэффициент может изменяться от 35 до 65.

Трансформатор

Трансформатор.

Полное сопротивление катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником зависит от силы протекающего через нее тока. Сопротивление катушки в зависимости от силы протекающего тока сначала увеличивается, достигает максимального значения, а затем уменьшается. Нелинейное возрастание тока холостого хода в зависимости от приложенного к первичной обмотке напряжения начинается примерно с 0,8Uном. Номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора выбирают так, чтобы ток холостого хода составлял 5-10% от номинального тока. При напряжении 1,1Uном ток холостого хода не должен превышать 20-25% номинального тока нагруженного трансформатора.

Материал в тему: как устроен тороидальный трансформатор и в чем его преимущества.

Режимы работы трансформатора

Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены. Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.

Что такое трансформатор?

В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора. Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.

Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны, поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения.

Режимы работы трансформатора

Режимы работы трансформатора.

Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:
U_2/U_1 =N_2/N_1 , где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке. Если U2 > U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.

Виды трансформаторов

В зависимости от своего применения и характеристик трансформаторы бывают нескольких видов. К примеру, в электрических сетях населенных пунктов, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые, основной задачей которых является понижение напряжения в сети до общепринятого – 220 В. Если трансформатор предназначен для регулировки тока, он называется трансформатор тока, а если устройство регулирует напряжение – то это трансформатор напряжения. В обычных сетях применяются однофазные трансформаторы, в сетях на три провода (фаза, ноль, заземление) нужен трехфазный трансформатор. Бытовой трансформатор, 220В предназначается для защиты бытовой техники от перепадов напряжения.

Виды трансформаторов

Виды трансформаторов

Сварочный трансформатор предназначен для разделения сварочной и силовой сети, для понижения напряжения в сети до нужной для сварки величины. Масляный трансформатор предназначается для использования в сетях с напряжением выше 6 000 Вольт. Конструкция трансформатора включает в себя: магнитопровод, обмотки, бак, а также крышки с вводами. Магнитопровод состоит из 2 листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга, обмотки, как правило, делают из алюминиевого или медного провода. Регулировка напряжения производится с помощью ответвления, которое соединяется с переключателем. Существует два вида переключения ответвлений: переключение под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой), а также без нагрузки, после того, как трансформатор отключен от внешней сети (ПБВ, или переключение без возбуждения). Большее распространение получил второй способ регулировки напряжения.

Говоря о видах трансформаторов, нельзя не рассказать об электронном трансформаторе. Электронный трансформатор представляет собой специализированный источник питания, который служит для преобразования напряжения 220В в 12 (24)В, при большой мощности. Электронный трансформатор намного меньше обычного, при тех же самых параметрах нагрузки.

Заключение

В данной статье были рассмотрены основные особенности трансформаторов.  Больше информации можно найти в скачиваемой версии учебника по электромеханике Что такое трансформатор. В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.domasniyelektromaster.ru

www.td-automatika.ru

www.ivatv.narod.ru

www.etcenter.ru

www.www.joyta.ru

Предыдущая

ТрансформаторыТрансформаторы для светодиодных лент, мнение специалистов

Следующая

ТрансформаторыЧто такое трансформаторная подстанция

Трансформатор: назначение, принципы работы и правила подключения

Автор Даниил Леонидович На чтение 9 мин. Просмотров 7.9k. Опубликовано

Свойства магнитного поля изучаются учеными давно. Впервые электромагнитную индукцию описал Майкл Фарадей. А именно как появляется прочная электромагнитная взаимосвязь в обмотках при создании переменного тока в первой катушке. Во вторичной же катушке повышается напряжение, но мощность и частота остаются прежними. Конечно, несведущему человеку в электричестве сложно понять конструкцию, принцип действия, предназначение трансформатора. Однако, это неотъемлемый прибор с установкой во многих сферах: радиотехника, электроэнергетика.

Трансформаторы напряжения: назначение и принцип действия

Трансформатор – электрическое устройство. Преобразует переменный ток одного напряжения в электрический ток другого напряжения. Частота, согласно явлению электромагнитной индукции, остается неизменной.

Состоит статический трансформатор из:

  • первичной и вторичной обмотки;
  • сердечника.

Применяется устройство в разных схемах питания и электроприборах. Передает электроэнергию на большие расстояния и:

  • снижает потери энергии;
  • уменьшает площадь сечения проводов ЛЭП.

Трансформаторы напряжения

Разновидности прибора:

  • повышающий;
  • понижающий;
  • силовой;
  • вращающийся;
  • импульсный;
  • разделительный;
  • согласующий.

Понижающий трансформатор применяется в быту. Именно через него проходит и поступает ток в домашние розетки с мощностью 220 Вт.

Силовой агрегат в составе из сердечника и нескольких обмоток преобразует напряжение в электроцепи по принципу электромагнитной индукции. Также значение напряжения переменного тока без изменений его частоты. Применяется для распределения и передачи электрической энергии. Напряжение в обмотках – свыше 300 кВ. Мощность – от 4 кВ до 200000 кВА.

Справка! Трансформатор служит для понижения либо повышения переменного напряжения. Основой является ферромагнитный сердечник. В дополнение для бесперебойной работы – обмотки, изоляция, магнитопровод, система охлаждения.

Обмотки выполнены из изолированных медных проводов прямоугольного сечения. Между их слоями находятся пустоты для циркуляции охлаждающего масла. Роль которого – отбирать тепло у обмоток, передавать через радиаторные трубки в окружающую среду.

принцип действия трансформатора

Принцип действия устройства основан на:

  • изменении магнитного потока;
  • создании электромагнитной индукции при прохождении через обмотку;
  • подаче напряжения на первичную обмотку;
  • воспроизведении магнетизма электрическим током, изменяющимся во времени.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, начинает создавать в магнитопроводе магнитный ток. Постепенно приводит к потоку во всех обмотках, преобразуя гальваническую развязку (переменное напряжение), но без видоизменения частоты.

Стоит знать! Действие прибора основано на электромагнитной индукции. За счет переменного тока образуется магнитное переменное поле вокруг проводника, видоизменяется в электродвижущую силу. Напряжение на выходе полностью зависит от используемого (понижающего, повышающего) трансформатора. Коэффициент ЭДС в обмотках прямо пропорционален количеству витков.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформатор напряжения – универсальное устройство. Передает и распределяет энергию.

Используются в:

  • электроустановках;
  • блоках питания;
  • агрегатах передачи электроэнергии;
  • устройствах обработки сигналов;
  • источниках питания приборов.

Силовой трансформатор с большим напряжением применяется для:

  • подачи энергии в электросети на электростанциях;
  • повышения напряжения генератора, линии электропередач;
  • снижения напряжения, доходящего до потребительского уровня.

принцип действия силового трансформатора

Трехфазный прибор со специальной системой охлаждения используется в электросетях. Сердечник в составе – общий для всех 3-ех фаз.

Область применения сетевого трансформатора – источники электропитания, узлы электроприборов с разным напряжением. Импульсные агрегаты незаменимы для радиотехнических, электронных устройств. Сначала выпрямляют переменное напряжение в блоках питания. Далее за счет инвертора преобразуют высокочастотные импульсы, стабилизирующие постоянное напряжение.

Трансформаторы входят в состав многих схем питания для обеспечения минимального уровня высокочастотных помех. Например, разделительные установки предотвращают угрозу поражения электрическим током для человека. Ведь включение бытовых приборов в сеть через трансформатор становится безопасным.

Вторая цепь у прибора будет изолирована от контактов с землей, если конечно, речь идет о заземлении электрического оборудования. Измерительные силовые приборы применяются в схемах генераторов переменного тока. Количество фаз у генератора из трансформатора должно совпадать для достижения стабильного напряжения на выходе.

Согласующие трансформаторы незаменимы для электронных устройств с высоким входным сопротивлением и высокочастотных линий, но с разным сопротивлением нагрузки.

Как работает трансформатор напряжения?

Приборы преобразуют энергию источника в необходимый коэффициент напряжения. Работают исключительно при переменном напряжении с постоянной частотой. В основе работы – электромагнитная индукция как явление, срабатываемое при изменении во времени магнитного потока, порождении ЭДС в обмотках.

Работа трансформатора начинается в первичной обмотке, где сердечник создает магнитный поток. Далее задействуется переменный ток, намагничивает сердечник, повышает индуктивность первичной обмотки, препятствует нарастанию тока на выводах обмотки напряжения. Если первичная обмотка отдает магнитный поток, то вторичная принимает его, изменяет с определенной скоростью, пронизывая все ветки и создавая ЭДС.

принцип действия трансформатора

Напряжение на ветках в полной мере зависит от быстроты изменения магнитного потока в сердечнике. Хотя получается одинаковым на ветках первичной и вторичной обмотки благодаря прохождению через них одного и того же магнитного потока.

Он в свою очередь создает вокруг себя электрическое поле в сердечнике, некий вихрь с воздействием на электроны, начиная толкать их в определенную сторону.

Справка! Если сказать проще, то принцип работы трансформатора напряжения основан на возбуждении напряжения во второй обмотке за счет возникшего переменного тока в магнитопроводе.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?

Источником питания для трансформатора тока является непосредственно ток. Если он не будет проходить через обмотки, тот агрегат быстро выйдет из строя. Питание для трансформатора напряжения – источники напряжения и он также не будет функционировать при повышенных нагрузках тока.

Отличие между устройствами в разных электрических величинах и схемах включения.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Приборы с работой под высоким напряжением нуждаются в периодическом измерении.

принцип действия измерительного трансформатора

Для чего этих целей в помощь – измерительные устройства, которые:

  • снижают величину напряжения до нужного уровня;
  • обеспечивают гальваническую развязку измерительному оборудованию от цепей с повышенной опасностью.

Номинальная мощность, напряжение и ток

Номинальная – мощность, с которой трансформатор работает в определенном классе точности и в соответствии с ГОСТом. Выражается в вольтах, амперах. Незначительные отклонения мощности допускаются, но не выше нормированных величин.

Важно! Во избежание повышения погрешности вторичной нагрузки суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле не должно быть более номинальной мощности трансформатора. Узнать номинальную мощность можно в паспорте к агрегату либо на щитке.

Порог номинального напряжения у трансформатора – 10кВ.

Разница в зависимости от мощности электроприборов составляет для:

  • питания электроприемников – 3-6,3кВ;
  • крупногабаритных электродвигателей – до 1000В.

Мощность трехфазного трансформатора вычитается по формуле: – S=квадратный корень цифры 3 UIU—номинальное междуфазное напряжение, В; / — ток в фазе, А. Коэффициенты рабочих токов в обмотках при рабочем состоянии трансформатора не должны быть выше номинальных Хотя кратковременные перегрузки в масляных и сухих агрегатах до определенных пределов (2,5 -3%) приемлемы.

Закон Фарадея

закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается ЭДС напряжение. Вычисляется по формуле – U2 = −N2*dΦ/dt.

Справка! Фарадея – основной закон электродинамики. Гласит о том, что генерируемая электродвижущая сила равняется скорости изменения магнитного потока, но взятой со знаком минус. Именно Майкл Фарадей сделал открытие, когда в ходе экспериментов объявил, что электродвижущая сила начинает появляться в проводнике только при изменении магнитного поля. Величина этой силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Все факты содержатся в одном уравнении. Однако, знак минус в законе – правило Ленца, указывающее на возникновение индукционного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, начинающего противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, ведь индукционный ток появляется как в обмотках, так и в сплошных металлических блоках.

Уравнения идеального трансформатора

В таком трансформаторе силовые линии проходят через все ветки первичной, вторичной обмотки. Значит, отсутствуют вихревые потоки и потери энергии. Магнитное поле изменяется, но порождает идентичную ЭДС во всех витках, поэтому становится прямо пропорциональным их общему числу.

Энергия при поступлении из первичной цепи трансформируется в магнитное поле, далее поступает во вторичной цепи.

Формула уравнения идеального трансформатора – P1 = I1 • U1 = P2 = I2 • U2:

  • R1 – коэффициент поступающей мощности из первой цепи на трансформатор;
  • R2 – коэффициент преобразованной мощности с поступлением во вторичную цепь.

Если повысить напряжение на концах вторичной обмотки, то снизится уровень тока первичной цепи. Согласно уравнению – U2/U1 = N2/N1 = I1/I2 преобразование сопротивления одной цепи к сопротивлению другой возможно только при умножении величины на квадрат отношения.

Как правильно подключить

Во всех тонкостях электрики сложно разобраться простому человеку, но при использовании трансформатора понижающего типа в быту важно понимать, как происходит процесс подключения.

Бывает, что возникает потребность подключения агрегата сразу на нескольких потребителей.

Стоит знать:

  1. При подключении трансформатора сразу на несколько потребителей важно учитывать количество выходных клемм.
  2. Общая потребляемая мощность для жильцов должна быть идентичной мощности трансформатора либо немного ниже. По мнению специалистов, идеальный второй показатель выше первого – на 20%.
  3. Подключается агрегат через электрическую проводку, размер которой не должен быть слишком большим. Достаточно 2 м при монтаже светодиодного освещения во избежании потери мощности.
  4. Суммарная мощность электроприборов не должна быть выше мощности трансформатора.

Если посмотреть на схему подключения понижающего трансформатора, то видно, что монтируется между распределительной коробкой мощностью 220 Вт и лампами накаливания. Провода из распредкоробки подключаются непосредственно к выключателю.

Подключение трансформатора напряженияПодключение трансформатора напряжения

Дополнительная информация! Стоит изначально определять правильное место установки электрического понижающего трансформатора. Нельзя его усердно прятать от посторонних глаз, ведь доступ для демонтажа либо замены должен быть свободным. При этом потребляемая мощность – не ниже мощности трансформатора, иначе процесс монтажа проводить запрещено.

При подключении важно, чтобы совпадали все уравнения, касающиеся модели прибора. Также существенное значение имеет фазировка, если в одну цепь подключается сразу несколько приборов параллельно. Во избежание больших потерь мощности фазы должны быть правильно соединены между собой с образованием замкнутого контура. При несовпадении фаз начнет расти нагрузка и падать мощность. Может произойти короткое замыкание.

Важно! Смотрите на фото, как выглядит упрощенный вид трансформатора.

Трансформатор – электромагнитный аппарат. Повышает либо понижает напряжение переменного тока. Он лишен подвижных частей. Значит, является статическим. По размерам бывает с трехэтажное здание либо миниатюрное, помещаемое в руку. В составе – сердечник и несколько обмоток с расположением на магнитопроводе. Хотя может содержать всего одну обмотку без сердечника.

При работе трансформатора срабатывает принцип электромагнитного взаимодействия. Переменный ток подается на первичную обмотку, меняет направление дважды за цикл. Значит, что вокруг обмотки образуется магнитное поле, но ежесекундно исчезает. Вторичная обмотка – проводник электромагнитного взаимодействия. Там же индуцируется напряжение.

Конечно, простому человеку сложно понять конструкцию, назначение прибора. Для познания можно просто разобрать, прозвонить, подключить или демонтировать в домашних условиях.

Устройство и принцип работы трансформатора

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформаторы

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

Схематичное устройство трансформатора

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

Работа трансформатора без нагрузки

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

Работа трансформатора под нагрузкой

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Формула магнитного потока

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Схематичное изображение разделительного трансформатора

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Схематичное изображение повышающего трансформатора

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Схематичное изображение понижающего трансформатора

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Магнитопроводы из электротехнической стали

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Магнитопроводы из сплавов с высокой магнитной проницаемостью

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Магнитопроводы из магнитомягких прессованных ферритов

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Шихтованные магнитопроводы

Магнитопровод из плоских шихтовых пластин

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

Ленточные магнитопроводы

Трансформатор с ленточным магнитопроводом

Тороидальный трансформатор из ленточного магнитопровода

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые.

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Схематичное изображение трансформатора стержневого типа

Трансформатор стержневого типа

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые.

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Схематичное изображение трансформатора броневого типа

Трансформатор броневого типа

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Схематичное изображение тороидального трансформатора

Тороидальный трансформатор

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

Новые формы магнитопроводов

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

назначение, устройство и принцип действия трансформатора

Трансформатор  –  это статическое электромагнитное устройство предназначенное для преобразование переменного тока одного напряжения той же частоты подающегося на его входную обмотку,  в другое переменное напряжение поступающиеся с его выходной обмотки.

Если на вход трансформатора поступает напряжение ниже, чем образующиеся на его выходе то такой трансформатор называют повышающим. Если на вход поступает напряжение выше чем образующие на его выходе, то это понижающий трансформатор.

Есть некая аналогия с передаточным числом шестереночной передачей.

зубчатая передача

Назначение и принцип действия трансформатора

Назначение и принцип действия трансформатора — это  передача электрической энергии на значительные расстояния от электростанций к различным потребителям: промышленным предприятиям, населению и т.п, с помощью электродвижущей силы и магнитной индукции.

Трансформаторы позволяют значительно экономить на стоимости проводов, а также снижают потери электроэнергии в линиях электропередач. Так как от силы тока зависит сечение проводов то, увеличивая напряжение и снижая силу тока (не снижая при этом передаваемую мощность) можно эффективно предавать напряжение на значительные расстояния.

Повышая напряжение (U), и снижая силу тока (I), передаваемая мощность (Р) остается неизменна.

Формула мощности  P = U * I или P = U2 / I

передача электроэнергии трансформаторамипередача электроэнергии трансформаторами

Это позволяет экономить  на линиях электропередач:

  1. Используя провода с меньшим поперечным сечение, снижается расход  цветных металлов;
  2. Уменьшаются потери мощности при передаче электроэнергии на большие расстояния.

На электростанциях вырабатывается электрическая энергия посредством синхронных генераторов и составляет от 11 кВ до 20кВ, в некоторых случаях может применяться напряжение 30-35 кВ.  Эти величины не подходят как в быту, так и на промышленном производстве из-за слишком высокого напряжения. Но эти напряжения также недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на расстояния. Поэтому на выходе из электростанций ставятся повышающие трансформаторы, которые повышают напряжение до 750 кВ, U=750kV напряжение которое непосредственно передается по линиям электропередач.

Приемники электрической энергии: различные бытовые приборы, электродвигатели, станки на производстве из-за соображения безопасности и конструктивными сложностями изготовления (требования к усиленной изоляции), также не могут работать с такими высокими напряжениями.  Они рассчитываются на более низкое напряжения, как правило, это 220V в быту и 380V на производстве.

Для понижения напряжения  используются различные понижающие трансформаторы. Любой трансформатор можно использовать как для повышения, так и для понижения напряжения.

Повышающие трансформаторы используют для передачи электроэнергии на большие расстояния, понижающие для распределения электроэнергии в точке разветвления потребителей.

Электрическая энергия по пути движения от электростанции до потребителя может трансформироваться 3 или 4 раза. Преобразование электроэнергии происходит с помощью магнитопровода трансформатора и переменного магнитного поля.

Трансформатор работает только с переменным напряжением, на постоянном токе не работает, так как не будет создаваться переменного магнитного поля, которое и составляет принцип работы любого трансформатора.

Изобретение трансформатора

Трансформатор изобрел выдающийся русский ученый П.И. Яблочковым в 1876г. Он использовал индукционную катушку с двумя обмотками для питания своей знаменитой лампы, «свечи Яблочкова». Это был первый генератор переменного тока. Этот трансформатор имел незамкнутый сердечник. Замкнутые сердечники, которые используются сейчас, появились только в 1884 г.

В 1889 году русский ученый М. О. Доливо-Добровольским изобрел трехфазную систему переменного тока и построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор.

С 1891г, он демонстрирует на электротехнической выставке в Франкфурте-на-Майне передачу высоковольтного трехфазного тока на расстояние более 100 км. Его трехфазный генератор имел мощность 230 кВА и напряжение U =95V. С помощью трехфазного трансформатора напряжение повышалось до 15 кВ и понижалось в точке приема до 65V (фазное напряжение), питая трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт насосной установки. С помощью последовательного включения двух обмоток высокого напряжения удалось повысить 28 кВ и увеличить КПД электропередачи до 77%, что в то время было достаточно высоким.

Как устроен трансформатор

работа трансформатораПринцип работы трансформатора

Простейший трансформатор – это две обмотки катушек, намотанные на магнитопроводе (замкнутом сердечнике трансформатора) с изоляцией по которым пропускают переменный ток.
Для наглядности обмотки расположены на разных стержнях стального сердечника. На самом деле часть обмоток может находится на одном стержне, а часть на другом. Такое расположение обмоток улучшает магнитную связь и снижает потери на магнитный поток рассеяния. Обмотка, на которую подают напряжение, называют первичной обмоткой, а обмотка трансформатора, с которой снимают напряжение, называют вторичной.

схема трансформатораИзображение трансформатора на схеме

Обычно в быту для питания различных устройств, применяют понижающие трансформаторы, где напряжение первичной обмотки всегда больше напряжения на вторичной обмотке.
Трансформаторы предназначены не только для передачи электроэнергии, но и служат в различных электронных устройствах: компьютерах, телевизорах и осветительной аппаратуре. В современном мире трансформаторы являются наиболее употребительными и универсальными устройствами.

Видео: Трансформатор. Принцип работы и советы конструкторам

Видео доступным языком объясняет работу трансформатора и даёт некоторые конструктивные советы

Простое объяснение принципа работы трансформатора

Чтобы понять, что такое трансформатор, попробуем собрать его, попутно разбираясь в каждом шаге.

 

Для начала соберем электромагнит. Самый простейший электромагнит это кусок ферромагнетика, например гвоздь (сотка), вокруг которого намотана проволока. (катушка).

катушка индуктивностикатушка индуктивности

Намотайте катушку, скажем витков 20-30 на гвоздь, подключите к батарейке или любому блоку питания постоянного напряжения (например 9 вольт).

При подаче тока на катушку, гвоздь усиливает свое магнитное свойство и становится постоянным электромагнитом — полной копией простого магнита.

Количеством витков, их толщиной (сечением провода), напряжением и током, материалом сердечника, способом намотки (например в два провода) Вашей катушки — Вы можете регулировать степень магнитной силы Вашего электромагнита.

А подключением намотки Вы можете регулировать положение полюсов Вашего электромагнита. (это важно)

соленоидПри подключении катушки к батарейке у гвоздя, т. е. у Вашего электромагнита образовывается, как и у простого магнита два полюса, условно северный (он же плюс) и южный (он же минус).

Поднесите к Вашему электромагниту простой магнит любым из полюсов. Вы увидите электромагнитное взаимодействие. Магнит будет отталкиваться Вашим электромагнитом.

Теперь поменяйте провода от Вашей батарейки местами, т. е. плюс на минус. При этом Вы заметите, что электромагнит поменял направление силы — теперь он наоборот притягивает.

Чем чаще Вы переключаете плюс на минус, тем чаще Ваш магнит будет менять направление силы. Иными словами электромагнит будет притягивать отталкивать с частотой питающей его сети.

Северный и южный полюса магнита будут меняться между собой, потому что ВЫ создали переменное напряжение с частотой Вашего переключения плюс на минус.

Теперь на гвозде намотайте вторую точно такую же катушку и Вы получите простейший трансформатор.

соленоидТрансформатор это прибор, который трансформирует напряжение и ток одной величины в напряжение и ток другой величины.

Первая катушка называется первичной обмоткой, а вторая катушка вторичной обмоткой.

Итак соберите такую конструкцию.

  • Гвоздь, на нем две одинаковые катушки.
  • Подключите первичную обмотку к блоку питания с возможностью менять направление тока.
  • Ко второй катушке подключите мультиметр.

Теперь включите блок питания и начинайте переключать полярность с некоторой частотой. На второй катушке у Вас начнет появляться напряжение, которое передается посредством того, что называют электромагнитной индукции. В итоге на Вашем гвозде у Вас работают два электромагнита, на первый вы подаете ток и напряжение, а на втором электромагните этот ток и напряжение индуктируются.

Виды трансформаторов

Силовой трансформатор

силовой трансформаторТак выглядит силовой трансформатор

Этот виды трансформаторов относится к трансформаторам работающих в сетях промышленных и бытовых установках частотой питающей сети 50-60 Гц. Силовые трансформаторы предназначены для преобразование электрической энергии для передачи ее по ЛЭП например, с 38 кВ до 6кВ, 380V на 220V (380/220В). Электро цепи где используется высокое напряжение принято называть в электротехнике силовыми цепями, а трансформаторы соответственно силовые трансформаторы.

Конструкция силового трансформатора состоит из двух или трёх обмоток, возможно больше. Располагаются обмотки на броневом сердечнике, изготавливаемом из листов электротехнической стали. Некоторые силовые трансформаторы (с расщепленными обмотками) могут иметь несколько обмоток с низшего напряжения (НН) которые запитаны параллельно. Это позволяет получать напряжение больше чем от одного генератора и передавать больше электроэнергии, тем самым повышая КПД электроустановки.

Мощные силовые трансформаторы очень часто делают масляными, то есть его обмотки помещают в бак со специальным трансформаторным маслом. Трансформаторное масло служит для активного охлаждения и одновременной изоляции его обмоток.
Трансформаторы мощностью 400 кВА обладают большим весом и монтируются на специальных платформах или помещениях. Они поступают с завода в собранном состоянии, готовыми к подключению нагрузки на подстанциях или электростанциях. Основное исполнение силовых трансформаторов – это трехфазные трансформаторы. это связно с тем, что потери КПД однофазных трансформаторов на 15% больше.

Сетевые трансформаторы

сетевой трансформаторсетевой трансформатор

Сетевые трансформаторы это самый распространенный вид трансформаторов, который можно встретить практически в любом бытовом электроприборе. Все сетевые трансформаторы, как правило, делают однофазными. Эти трансформаторы служат для преобразования высокого напряжение сети 220V до приемлемого напряжения, используемого в том или ином электроприборе. Понижающее напряжение может быть: 220/12V или 220/9V, 220/36V и т.д.

Многие изготавливают сетевые трансформатор не с одной, а с несколькими вторичными обмотками, что делает трансформатор более универсальным, часто используемый на разное напряжение одновременно.

Например, часть схемы запитана напряжение 12 Вольт, а другая 3 Вольта от одного трансформатора с несколькими обмотками.

магнитопроводыконструкция магнитопроводов трансформатора

Изготавливают сетевые трансформаторы чаще всего из электротехнической стали на Ш – образных или стержневых сердечниках. Встречаются тороидальные сердечники. Ш-образный сердечник набирается из пластин, на которые надевают каркас на который наматываются обмотки трансформатора.

Тороидальный трансформатор имеет преимущества из-за своего более компактного вида и обладают более лучшими характеристиками. Обмотки тороидального трансформатора полностью охватывают магнитопровод, нет пустого пространства незанятого обмоткой в отличие от стержневых или броневых трансформаторов.

Сварочные трансформаторы также можно отнести к сетевым, мощность которых не превышает 6 кВт. Все сетевые трансформаторы работают на низкой частоте равной 50-60 Гц.

Автотрансформатор

схема автотрансформатора
Автотрансформатор – это трансформатор где обмотки низшего напряжения являются частью обмотки высшего. Обмотки автотрансформатора имеют прямую электрическую связь, а не только посредством магнитопровода. Делая отводы от одной обмотки можно получить различное напряжение. Отличить обмотки низшего и высшего напряжение можно по различному сечению использованного для намотки провода.

Преимущество автотрансформатора – это меньшие размеры, меньше использованного провода, меньше сердечник, меньше затрачено стали на его изготовление в итоге меньшая цена автотрансформатора.

Главный недостаток трансформатора — это гальваническая связь обмоток низшего и высокого напряжения. Возможность попадания сети высшего напряжения в сеть низшего. Невозможность применение автотрансформаторов в сетях с заземлением.
Автотрансформаторы применяют в сетях трехфазного тока с соединением обмоток в чаще всего в звезду, реже в треугольник.

Автотрансформаторы часто применяют в устройствах управления напряжением, в высоковольтных установках, в промышленности для пуска мощных асинхронных электродвигателей переменного тока. Мощность автотрансформаторов может быть до 100 МВт.

Преимущество автотрансформаторов увеличивается с увеличением коэффициента трансформации близкими (К=1-2).

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

ЛатрЛатр

Разновидностью автотрансформатора можно назвать лабораторный трансформатор (ЛАТР). Его основное назначение — это плавная регулировка напряжения, подающаяся к нагрузке, к любому потребителю электроэнергии. Конструкция автотрансформатора представляет собой тороидальный трансформатор у которого есть только одна обмотка, по которой бежит ползунок (угольный роликовый контакт) подключающий каждый виток не изолируемой обмотки (дорожки) автотрансформатора к схеме. Таким образом, создается регулирующий эффект.

При замыкании соседних витков роликовым ползунком в ЛАТР, не происходит межвитковых замыканий, так как токи питающей сети и нагрузки автотрансформатора в общей обмотке близки друг к другу и направлены встречно. Самые распространенные ЛАТРы регулируют напряжение от 0 до 250V. Трехфазные регулируют от 0/450 вольт. Автотрансформаторы ЛАТРы часто используют в научно исследовательских лабораториях для пусконаладочных работ различного назначения.

Трансформаторы тока

трансформаторы тока

Трансформатор тока служит в основном в измерительной технике. Первичную обмотку такого трансформатора подключают к источнику тока, вторичная обмотка используется для различных измерительных приборов при небольшом внутреннем сопротивлении (R вн).
Первичная обмотка – это, как правило, всего виток провода включенного последовательно с измеряемой цепью переменного тока. Ток первичной обмотки прямо пропорционален току вторичной, в чем и достигается измерение величины силы тока (А).

Главная особенность трансформаторов тока состоит в том, что вторичная обмотка должна быть всегда нагружена, иначе происходит пробой изоляции высоким напряжением, также при отключенной нагрузке магнитопровод трансформатора тока просто сгорает от некомпенсированных наведенных токов.

Конструктивно трансформатор тока это одна или несколько изолированных обмоток намотанных на шихтованную холоднокатаную электротехническую сталь называемую сердечником. Первичная обмотка может быть просто провод, который пропущенный через окно магнитопровода трансформатора тока который измеряет силу тока проходящий через этот провод или шину. Коэффициент трансформации здесь 100/5, безопасны, так как отсутствует гальваническая связь между обмотками.

Применение трансформаторов тока: измерения силы тока в схемах релейной защиты, в измерительной аппаратуре. Выпускают с 1-2 группами вторичных обмоток. Одна группа может, подсоединяется к защитным устройствам, другая к измерительным приборам и счетчикам.

Трансформаторы напряжения

трансформатор напряженТрансформатор напряжения НОМ-3

Трансформаторы напряжения – это трансформаторы, преобразующие высокие напряжения пропорционально и точно в соответствии с фазами в величины, пригодные для измерения. Трансформаторы среднего напряжения имеют единственный магнитопровод и могут быть выполнены с одной или несколькими вторичными обмотками. Заземляемые трансформаторы напряжения по желанию помимо измерительной или защитной обмотки могут быть выполнены с дополнительной обмоткой для регистрации замыкания на землю.

Импульсный трансформатор тока

импульсный трансформатор токаимпульсный трансформатор тока

Применяются для измерения направления или силы тока в импульсных схемах. Импульсный трансформатор состоит из кольцевого ферритового сердечника с одной обмоткой. Измеряемый провод проходит сквозь кольцо, обмотку подключают к сопротивлению нагрузки (Rн).
Если обмотка содержит 1000 витков провода, то ток, проходящий через измеряемый провод будет равен 1000\1, то есть на сопротивлении нагрузки будет ток, который в 1000 раз меньше тока проходящего через измеряемый провод.

Производители трансформаторов тока изготовляют импульсные трансформаторы тока с различным коэффициентом трансформации. Инженеру проектировщику нужно лишь рассчитать сопротивление нагрузки и соответствующую схему измерения.
Если нужно измерить направление тока, то вместо сопротивления нагрузки подключают два стабилитрона с встречным включением.

Импульсный трансформатор

импульсный трансформатор

Распространен во всех современных электронных схемах. Импульсный трансформатор предназначен для сварочных устройств, блоков питания, импульсных преобразователей. Заменили в настоящее время низкочастотные трансформаторы с сердечниками из шихтованной стали, которые имели больше габариты и вес.
Состоит из ферритового магнитопровода различной формы: кольцо, чашечка, стержень, Ш — образный, П – образный. Ферритовый сердечник импульсных трансформаторов дает им несравненное преимущество перед старыми трансформаторами из стали в том, что они могут работать на частотах до и свыше 500 000 гц.

Импульсный трансформатор – это ВЧ (высокочастотный) трансформатор габариты и вес, которого с ростом частоты становиться только меньше!
Обмотка требует меньшего количества витков, а для регистрации высокочастотного тока достаточно полевого или биполярных транзисторов включенных по специальной схеме:

  • Прямоходовая;
  • Двухтактная;
  • Полумостовая;
  • Мостовая схема

Применяют импульсные трансформаторы и дроссели на феррите в энергосберегающих лампах, зарядных для мобильных устройств, в мощных инверторах тока, сварочных аппаратах.

Трансформатор Тесла

импульсный трансформатор

Трансформатор Николы Теслы — это аппарат, с помощью которого получают токи высокой частоты. Реализовывается при помощи первичной и вторичной обмотки, но первичная обмотка получает питание на частоте резонанса вторичной обмотки, при этом напряжение на выходе возрастает в десятки раз.

По мнению специалистов, Тесла изобретал трансформатор для решения глобального вопроса передачи электрической энергии из одного пункта в другой без применения проводов. Для того чтобы получилась задуманная изобретателем передача энергии при помощи эфира, необходимо на двух удаленных точках иметь по одному мощному трансформатору, которые работали бы на одной частоте в резонансе. сли проект реализовать, тогда не понадобятся гидроэлектростанции, мощные ЛЭП, наличие кабельных линий, что, конечно, противоречит монопольному владению электрической энергией разными компаниями.

С проектом Николы Теслы каждый гражданин общества мог бесплатно воспользоваться электричеством в нужный момент в любом месте, где бы он ни находился.

С точки зрения бизнеса эта система нерентабельна, так как она не окупится, ведь электричество становится бесплатным, именно по этой причине патент №645576 до сих пор ожидает своих инвесторов.

Видео: Принцип работы трансформатора

Основы — как работает трансформатор, первичная и вторичная обмотка, каким образом понижается или повышается напряжение у трансформатора за счет магнитного поля, для чего нужен магнитопровод и что такое взаимоиндуктивность — обо всем этом смотрите в видео!

устройство и принцип работы, назначение, схемы, фото и видео-инструкция как сделать и подключить трансформатор своими руками

Автор Aluarius На чтение 7 мин. Просмотров 440 Опубликовано

Вопрос, что такое трансформатор, для опытных и даже начинающих электриков совершенно простой. Но обычные обыватели, которые с электрикой не дружат, даже и не представляют, как выглядит трансформатор, для чего он необходим, а тем более, не осведомлены о его конструкции и принципе работы. Поэтому в этой статье будем разбираться с этим прибором, рассмотрим вопрос, а можно ли сделать трансформатор своими руками, и так далее. Итак, трансформатор – это электромагнитное устройство, которое  может изменять напряжение переменного тока (увеличивать или уменьшать).

Трансформаторы токаТрансформаторы тока

Устройство и принцип работы

Итак, конструкция трансформатора достаточно проста и состоит из сердечника и двух катушек из медной проволоки. В основе принципа работы лежит электромагнитная индукция. Чтобы вы поняли, как работает этот прибор, рассмотрим, как магнитное поле, образуемое в катушках (обмотках) устройства, изменяет показатель напряжения.

Подаваемый на первую обмотку электрический ток (он переменный, поэтому изменяется по направлению и величине) образует в катушке магнитное поле (оно также переменное). В свою очередь магнитное поле образует во второй катушке электрический ток. Такой своеобразный обмен параметрами. Но просто так изменение напряжения не произойдет, оно зависит от того, сколько витков медной проволоки в каждой обмотке. Конечно, величина изменения магнитного поля (скорость) также влияет на величину напряжения.

Устройство и принцип работы

Что касается количества витков, то получается так:

  • если число витков в первичной катушке больше, чем во вторичной, то это понижающий трансформатор;
  • и, наоборот, если количество витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то это повышающий трансформаторный прибор.

Поэтому существует формула, которая определяет так называемый коэффициент трансформации. Вот она:

k=w1/w2, где w – это число витков в катушке с соответствующим номером.

Внимание! Любой трансформатор может быть и понижающим, и повышающим, все зависит от того, к какой обмотке (катушке) подсоединяется питающий кабель сети переменного тока.

И еще один момент, касающийся устройства. Это сердечник трансформатора. Все дело в том, что существуют разные виды этого устройства, в которых сердечник присутствует или отсутствует.

Что такое трансформатор

  • Так вот, в тех видах, где сердечник трансформатора отсутствует или изготовлен из феррита или альсифера называются высокочастотными (выше 100 кГц).
  • Приборы с сердечником из стали, феррита или пермаллои – низкочастотные (ниже 100 кГц).

Первые используются в радио- и электросвязи. Вторые в для усиления звуковых частот, к примеру, в телефонии. Со стальным сердечником используется в электротехнике (в бытовых приборах в том числе).

Условные обозначения и параметры

Приобретая трансформатор, необходимо понимать, что написано на его корпусе или в сопроводительных документах. Ведь существует определенная маркировка трансформаторов, которые определяют его назначение. Основное, на что необходимо обратить внимание, до какого показателя этот прибор может снизить напряжение. К примеру, 220/24 говорит о том, что на выходе получится ток напряжением 24 вольта.

А вот буквенные обозначения чаще всего говорят о типе устройства. Кстати, имеется в виду буквы, стоящие после цифр. К примеру, О или Т – одно- или трехфазный соответственно. То же самое можно сказать о количестве обмоток, о типе охлаждения, о способе и месте установки (внутренние, наружные и прочее).

Расшифровка маркировки трансформатораРасшифровка маркировки трансформатора

Что касается параметров трансформатора, то существует определенный стандартный ряд, который и определяет характеристики прибора. Их несколько:

  • Напряжение в первичной катушке.
  • Напряжение во вторичной катушке.
  • Первичная сила тока.
  • Вторичная сила тока.
  • Общая мощность аппарата.
  • Коэффициент трансформации.
  • КПД.
  • Коэффициент мощности и нагрузки.

Есть так называемая внешняя характеристика трансформатора. Это зависимость вторичного напряжения от вторичной силы тока, при условии, что сила тока первичной обмотки будет номинальной, а cos φ= const. По-простому – чем выше сила тока, тем ниже напряжение. Правда, второй параметр изменяется всего лишь на несколько процентов. При этом внешняя характеристика трансформатора определяется относительными характеристиками, а именно коэффициентом загрузки, который определяется по формуле:

Обозначение на схемахОбозначение на схемах

K=I2/I2н, где второй показатель силы – это сила тока при номинальном напряжении.

Конечно, характеристики трансформатора – это достаточно большой ряд всевозможных показателей, от которых зависит сама работа прибора. Здесь и мощность потерь, и внутреннее сопротивление в обмотке.

Как сделать самостоятельно

Итак, как сделать трансформатор самому? Зная, принцип работы установки и его конструктивные особенности, можно собрать своими руками простейший аппарат. Для этого вам понадобится любое металлическое кольцо, на котором надо накрутить два участка обмотки. Самое важно – обмотки не должны касаться друг друга, а место их намотки не зависит конкретно от их расположения. То есть, они могут быть размещена напротив друг друга или рядом. Важно – даже небольшое расстояние между ними.

Внимание! Трансформатор работает только от сети переменного тока. Так что не стоит подключать к вашему устройству батарейку или аккумулятор, где присутствует ток постоянный. Работать от этих источников электроэнергии он не будет.

Как уже было сказано выше, количество витков в обмотках определяет, какой прибор вы собираете – понижающий или повышающий. К примеру, если вы на первичной обмотке соберете 1200 витков, а на вторичной всего лишь 10, то на выходе вы получите напряжение 2 вольта. Конечно, при подключении первичной катушки к напряжению 220-240 вольт. Если фазировка трансформатора будет заменена, то есть, провести подсоединение 220 вольт к вторичной обмотке, то на выходе первичной получится ток напряжением 2000 вольт. То есть, к назначению трансформатора надо подходить осторожно, учитывая тот самый коэффициент трансформации.

Трансформатор своими руками

Как правильно подключить

Что касается монтажа трансформатора, особенно его понижающего типа в быту дома, то необходимо знать некоторые нюансы проводимого процесса.

  • Во-первых, это касается самого устройства. При монтаже трансформатора иногда появляется необходимость подключения не одного потребителя, а сразу нескольких. Поэтому обращайте внимание на количество выходных клемм. Конечно, необходимо знать, что суммарная потребляемая мощность потребителей не должна быть больше мощности самого трансформаторного устройства. Во всяком случае, специалисты рекомендуют, чтобы второй показатель был всегда больше первого на 15-20%.
  • Во-вторых, подключение трансформатора производится электрической проводкой. Так вот ее длина и до прибора, и после не должна быть очень большой. К примеру, понижающий аппарат для светодиодного освещения предполагает наличие проводки от него до светильников не больше двух метров. Это позволит избежать больших потерь мощности.
Схема подключения понижающего трансформатораСхема подключения понижающего трансформатора

Внимание! Нельзя процесс монтажа трансформатора проводить и в том случае, если потребляемая мощность потребителей будет меньше мощности самого агрегата.

  • В-третьих, место установки электрического понижающего прибора должно быть выбрано правильно. Самое важное, чтобы до него всегда можно было бы добраться просто, особенно когда есть необходимость провести демонтаж со следующей заменой и монтажом трансформатора. Поэтому перед тем как подключить трансформатор, необходимо определиться с его местом установки.

Схема замещения

Буквально несколько слов о том, что такое схема замещения трансформатора. Начнем с того, что две катушки соединены между собой магнитным полем, поэтому проанализировать работы трансформатора, а тем более его характеристики, очень сложно. Поэтому для этих целей сам прибор заменяют моделью, которая и называется схема замещения трансформатора.

По сути, все переводится на математический уровень, а точнее, в уравнения (токов и электрического состояния). Здесь важно, чтобы все уравнения, касающиеся прибора и его модели, совпадали. Кстати, для многих схема замещения трансформатора достаточно сложна, поэтому существует упрощенный вариант, в котором нет тока холостого хода, ведь на него приходится незначительная часть.

Фазировка

Фазировка трансформатора – это испытание его выходов, когда в одну цепь подключены несколько приборов параллельно. Ведь обязательное условие эффективной работы цепи с отсутствием больших потерь мощности – это правильное соединение фаз между собой, чтобы образовался замкнутый контур.

Фазировка обмоток трансформатора

Если фазы не совпадут, то падает мощности и растет нагрузка. Если не совпадает чередование фаз, то произойдет короткое замыкание.

Заключение по теме

Итак, был сделан небольшой обзор всего, что касается трансформаторных установок, поэтому будем считать, что вопрос, зачем нужны трансформаторы, исчерпан, хотя и не полностью. Об этом приборе можно говорить долго. К примеру, самые простые варианты: как разобрать трансформатор, как прозвонить его, как подключить или демонтировать самому дома.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Трансформатор - это устройство, которое передает электрическую энергию от одной электрической цепи к другой посредством взаимной (электромагнитной индукции) и без изменения частоты. Трансформаторы - важная часть электрических систем. [1]

Трансформаторы бывают разных размеров, от очень маленького соединительного трансформатора внутри сценического микрофона до больших блоков, несущих сотни МВА, используемых в электрических сетях.

Основная причина использования трансформатора - преобразование мощности одного уровня напряжения в мощность другого уровня напряжения. Высокое напряжение легче отправить на большие расстояния, но меньшее напряжение проще и безопаснее использовать в офисе или дома. [2] Трансформаторы используются для увеличения или уменьшения напряжения переменного тока (AC) в цепях. Трансформатор обычно состоит из двух катушек вокруг одного сердечника. Первичная катушка или входная катушка подключены к стороне питания, а вторичная катушка подает питание на нагрузку.Вторая называется выходной катушкой. [3] Энергия передается от первичной обмотки к вторичной за счет электромагнетизма. В электрических сетях используется много трансформаторов. Это сети для доставки электроэнергии от генератора к пользователю.

Трансформаторы в вашем районе, на электрических столбах или трансформаторы, подключенные к подземным проводам, обычно преобразуют высокое напряжение 7200 вольт в 220-240 вольт электричества для питания освещения и таких приборов, как холодильники в домах и на предприятиях. [4] В некоторых странах, например в Америке, в домах используется другое напряжение, например 120 вольт. Трансформаторы не могут увеличивать мощность, поэтому при повышении напряжения пропорционально снижается ток. Если напряжение понижается, ток пропорционально увеличивается. [5]

Трансформаторы внутри электронного оборудования обеспечивают электроэнергией, в которых нуждаются различные части.

Существует несколько основных типов трансформаторов:

  • Повышающий трансформатор: выходное напряжение больше входного напряжения.
  • Понижающий трансформатор: входное напряжение больше выходного напряжения.
  • Некоторые трансформаторы имеют то же выходное напряжение, что и входное, и используются для гальванической развязки двух электрических цепей.
.

Что такое трансформатор? - определение и значение

A Трансформатор - это статическая электрическая машина, которая передает электрическую мощность переменного тока от одной цепи к другой цепи с постоянной частотой, но уровень напряжения может быть изменен, что означает, что напряжение может быть увеличено или уменьшено в соответствии с требованиями.

Он работает по принципу закона электромагнитной индукции Фарадея , который гласит, что «величина напряжения прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.”

transformer-circuit

В комплекте:

Необходимость трансформатора

Обычно электроэнергия вырабатывается на 11 кВ. По экономическим причинам мощность переменного тока передается при очень высоком напряжении, например 220 кВ или 440 кВ, на большие расстояния. Поэтому на электростанциях применяется повышающий трансформатор.

Теперь по соображениям безопасности напряжение понижается до разных уровней понижающим трансформатором на разных подстанциях для подачи энергии в разные места, и, таким образом, мощность используется при 400/230 В.

General-figure-of-transformer Если (В 2 > В 1 ) напряжение повышается на выходной стороне и называется повышающим трансформатором

Если (В 2 1 ) уровень напряжения на выходе понижается и известен как понижающий трансформатор.

Строительство трансформатора

В основном состоит из

  1. Магнитная цепь (состоящая из сердечника, ветвей, ярма и демпфирующей конструкции).
  2. Электрическая цепь (состоящая из первичной и вторичной обмоток)
  3. Диэлектрическая цепь (состоящая из изоляции разной формы и используемой в разных местах)
  4. Баки и аксессуары (расширитель, сапун, втулки, охлаждающие трубы и т. Д.))

Типы трансформаторов

Различные типы описаны ниже

  1. Расположение обмоток относительно сердечника
  1. По коэффициенту трансформации или количеству витков в обмотках

3. Виды услуг

  • Трансформатор силовой
  • Распределительный трансформатор
  • Измерительный трансформатор
    • Трансформатор тока
    • Трансформатор потенциала
    • Автотрансформатор

4. На базе поставки

5. На базе охлаждения

  • Air Natural (AN), с воздушным охлаждением или сухого типа
  • Air ForceD (AF) или тип Air Blast
  • Масло Natural Air Natural (ОНАН)
  • Масло естественное воздушное принудительное (ONAF)
  • Масло с принудительной циркуляцией воздуха (OFAF)
  • Масло натуральное водное принудительное (ONWF)
  • Масло принудительно-водяное (OFWF)

Уравнение ЭДС трансформатора

Уравнение ЭДС приведено ниже

transformer-emf-eq

Где E 1 и E 2 - напряжения, а N 1 , N 2 - количество витков в первичной и вторичной обмотках соответственно.

Потери в трансформаторе

  1. Потери в сердечнике или в железе
  • Потеря гистерезиса
  • Потери на вихревые токи
  1. Потери меди
  2. Случайные потери

КПД трансформатора

КПД трансформатора определяется как отношение выходной мощности к входной и выражается в уравнении ниже

TRANSFORMER EFFICIENCY EQ
Это все о трансформаторе. Продолжай читать.

.

Types of Transformer - разные типы трансформаторов

Существуют различных типов трансформаторов , используемых в электроэнергетической системе для различных целей, таких как генерация, распределение и передача и использование электроэнергии.

Различные типы трансформаторов: повышающий и понижающий трансформатор, силовой трансформатор, распределительный трансформатор, измерительный трансформатор, включающий трансформатор тока и напряжения, однофазный и трехфазный трансформатор, автотрансформатор и т. Д.

В комплекте:

types-of-transformer

Различные типы трансформаторов

Различные типы трансформаторов, показанные на рисунке выше, подробно описаны ниже.

Повышающий и понижающий трансформатор

Этот тип трансформатора классифицируется на основе количества витков в первичной и вторичной обмотках и наведенной ЭДС.

Повышающий трансформатор преобразует низковольтный сильноточный переменный ток в высоковольтную и слаботочную систему переменного тока. В этом типе трансформатора количество витков во вторичной обмотке больше, чем количество витков в первичной обмотке.Если (В 2 > В 1 ) напряжение на выходе повышается и называется повышающим трансформатором

.

Понижающий трансформатор преобразует высокое первичное напряжение, связанное с низким током, в низкое напряжение с высоким током. В трансформаторе этого типа количество витков в первичной обмотке больше, чем количество витков во вторичной обмотке. Если (В 2 1 ) уровень напряжения на выходе понижается и известен как понижающий трансформатор

.

Силовой трансформатор

Силовые трансформаторы используются в передающих сетях высокого напряжения.Характеристики силового трансформатора следующие: 400 кВ, 200 кВ, 110 кВ, 66 кВ, 33 кВ. В основном они рассчитаны на мощность более 200 МВА. В основном устанавливается на генерирующих станциях и передающих подстанциях. Они рассчитаны на максимальную эффективность 100%. Они больше по размеру, чем распределительный трансформатор.

При очень высоком напряжении мощность не может быть передана потребителю напрямую, поэтому мощность понижается до желаемого уровня с помощью понижающего силового трансформатора.Трансформатор загружен не полностью, поэтому потери в сердечнике происходят в течение всего дня, но потери в меди зависят от цикла нагрузки распределительной сети.

Если силовой трансформатор подключен к сети передачи, колебания нагрузки будут очень меньшими, поскольку они не подключены напрямую к стороне потребителя, но при подключении к распределительной сети будут колебания нагрузки.

Трансформатор нагружен на передающей станции в течение 24 часов, поэтому потери в сердечнике и меди будут происходить в течение всего дня.Силовой трансформатор рентабелен, когда мощность генерируется при низком уровне напряжения. Если уровень напряжения повышается, то ток силового трансформатора уменьшается, что приводит к потерям I 2 R, а также увеличивается регулировка напряжения.

Распределительный трансформатор

Этот тип трансформатора имеет более низкие номиналы, такие как 11 кВ, 6,6 кВ, 3,3 кВ, 440 В и 230 В. Они имеют номинальные характеристики менее 200 МВА и используются в распределительной сети для преобразования напряжения в энергосистеме путем понижения напряжения. уровень, на котором электрическая энергия распределяется и используется на стороне потребителя.

Первичная обмотка распределительного трансформатора намотана эмалированным медным или алюминиевым проводом. Толстая лента из алюминия и меди используется для изготовления вторичной обмотки трансформатора, которая представляет собой обмотку высокого тока и низкого напряжения. Бумага, пропитанная смолой, и масло используются для изоляции.

Масло в трансформаторе используется для

  • Охлаждение
  • Изоляция обмоток
  • Защита от влаги

Различные типы распределительного трансформатора подразделяются на следующие категории и показаны на рисунке ниже

  • Место установки
  • Тип изоляции
  • Характер поставки

types-of-transformer-fig-2
Распределительный трансформатор менее 33 кВ используется в промышленности, а 440, 220 В - в быту.Он меньше по размеру, прост в установке, имеет низкие магнитные потери и не всегда полностью загружен.

Так как он не работает при постоянной нагрузке в течение 24 часов, так как днем ​​его нагрузка находится на пике, а в ночные часы он загружен очень слабо, поэтому эффективность зависит от цикла нагрузки и рассчитывается как эффективность на весь день. Распределительные трансформаторы рассчитаны на максимальный КПД от 60 до 70%

Использование распределительного трансформатора

.

Как работают трансформаторы. Трансформаторы - это разновидность нейронной… | Джулиано Джакалья

Нейронная сеть, используемая Open AI и DeepMind

Giuliano Giacaglia

Трансформаторы - это тип архитектуры нейронных сетей, который набирает популярность. Трансформеры недавно использовались OpenAI в своих языковых моделях, а также недавно использовались DeepMind для AlphaStar - их программы, чтобы победить лучшего профессионального игрока в Starcraft. Преобразователи

были разработаны для решения задачи преобразования последовательности , или нейронного машинного перевода. Это означает любую задачу, которая преобразует входную последовательность в выходную последовательность. Это включает в себя распознавание речи, преобразование текста в речь и т. Д.

Преобразование последовательности. Входные данные представлены зеленым цветом, модель - синим, а выход - фиолетовым. GIF от 3

Для моделей, выполняющих преобразование последовательности , необходимо иметь какую-то память. Например, предположим, что мы переводим следующее предложение на другой язык (французский):

«Трансформеры» - японская [[хардкор-панк]] группа.Группа была образована в 1968 году, в разгар истории японской музыки »

В этом примере слово« группа »во втором предложении относится к группе« Трансформеры », представленной в первом предложении. Когда вы читаете о группе во втором предложении, вы знаете, что это относится к группе «Трансформеры». Это может быть важно для перевода. Есть много примеров, когда слова в некоторых предложениях относятся к словам в предыдущих предложениях.

Для перевода подобных предложений модель должна определять такого рода зависимости и связи.Рекуррентные нейронные сети (RNN) и сверточные нейронные сети (CNN) были использованы для решения этой проблемы из-за их свойств. Давайте рассмотрим эти две архитектуры и их недостатки.

Рекуррентные нейронные сети имеют в себе петли, позволяющие информации сохраняться.

Вход представлен как x_t

На рисунке выше мы видим часть нейронной сети, A, , обрабатывающую некоторый вход x_t и выводящую h_t. Цикл позволяет передавать информацию от одного шага к другому.

Петли можно мыслить иначе. Рекуррентную нейронную сеть можно представить как несколько копий одной и той же сети, A , каждая из которых передает сообщение своему преемнику. Подумайте, что произойдет, если мы развернем цикл:

Развернутая рекуррентная нейронная сеть

Эта цепочечная природа показывает, что рекуррентные нейронные сети явно связаны с последовательностями и списками. Таким образом, если мы хотим перевести какой-то текст, мы можем установить каждый ввод как слово в этом тексте.Рекуррентная нейронная сеть передает информацию из предыдущих слов в следующую сеть, которая может использовать и обрабатывать эту информацию.

На следующем рисунке показано, как обычно работает модель от последовательности к последовательности с использованием рекуррентных нейронных сетей. Каждое слово обрабатывается отдельно, и результирующее предложение генерируется путем передачи скрытого состояния на этап декодирования, который затем генерирует выходные данные.

GIF из 3

Проблема долгосрочных зависимостей

Рассмотрим языковую модель, которая пытается предсказать следующее слово на основе предыдущих.Если мы пытаемся предсказать следующее слово предложения «облака в небе» , нам не нужен дальнейший контекст. Совершенно очевидно, что следующим словом будет небо.

В этом случае, когда разница между релевантной информацией и местом, которое необходимо, невелика, RNN могут научиться использовать прошлую информацию и выяснить, какое слово будет следующим в этом предложении.

Изображение из 6

Но есть случаи, когда нам нужно больше контекста. Например, предположим, что вы пытаетесь предугадать последнее слово текста: «Я вырос во Франции… Я бегло говорю…». Недавняя информация предполагает, что следующее слово, вероятно, является языком, но если мы хотим сузить, какой язык, нам нужен контекст Франции, который находится дальше по тексту.

Изображение из 6

RNN становится очень неэффективным, когда разрыв между соответствующей информацией и точкой, где она необходима, становится очень большим. Это связано с тем, что информация передается на каждом этапе, и чем длиннее цепочка, тем более вероятно, что информация будет потеряна по цепочке.

Теоретически RNN могут изучить эту долговременную зависимость.На практике они, кажется, не изучают их. LSTM, особый тип RNN, пытается решить эту проблему.

При составлении календаря на день мы расставляем по приоритетам встречи. Если есть что-то важное, мы можем отменить некоторые встречи и согласовать то, что важно.

RNN этого не делают. Всякий раз, когда он добавляет новую информацию, он полностью преобразует существующую информацию, применяя функцию. Изменяется вся информация, и не учитывается, что важно, а что нет.

LSTM вносят небольшие изменения в информацию путем умножения и сложения. В LSTM информация проходит через механизм, известный как состояния ячейки. Таким образом, LSTM могут выборочно запоминать или забывать то, что важно и не так важно.

Внутри LSTM выглядит следующим образом:

Изображение из 6

Каждая ячейка принимает в качестве входных данных x_t (слово в случае перевода предложения в предложение), предыдущее состояние ячейки и выход предыдущей ячейки .Он манипулирует этими входами и на их основе генерирует новое состояние ячейки и выходные данные. Я не буду вдаваться в подробности механики каждой ячейки. Если вы хотите понять, как работает каждая ячейка, я рекомендую сообщение в блоге Кристофера:

С состоянием ячейки информация в предложении, которая важна для перевода слова, может передаваться от одного слова к другому при переводе.

Проблема с LSTM

Та же проблема, что обычно случается с RNN, случается с LSTM, т.е.е. когда предложения слишком длинные, LSTM по-прежнему не работают. Причина этого в том, что вероятность сохранения контекста для слова, которое находится далеко от текущего обрабатываемого слова, экспоненциально уменьшается с удалением от него.

Это означает, что, когда предложения длинные, модель часто забывает содержание отдаленных позиций в последовательности. Другая проблема с RNN и LSTM заключается в том, что трудно распараллелить работу по обработке предложений, поскольку вам нужно обрабатывать слово за словом.Не только это, но еще и не существует модели зависимостей дальнего и ближнего действия. Подводя итог, можно сказать, что LSTM и RNN представляют три проблемы:

  • Последовательные вычисления препятствуют распараллеливанию
  • Отсутствует явное моделирование зависимостей дальнего и ближнего действия
  • «Расстояние» между позициями линейно

Для решения некоторых из этих проблем исследователи создали техника обращения внимания на конкретные слова.

При переводе предложения я обращаю особое внимание на слово, которое сейчас перевожу.Когда я расшифровываю аудиозапись, я внимательно слушаю фрагмент, который активно записываю. И если вы попросите меня описать комнату, в которой я сижу, я буду оглядываться на объекты, которые описываю, в процессе.

Нейронные сети могут достичь того же поведения, используя внимание , сосредотачиваясь на части подмножества информации, которую они предоставляют. Например, RNN может следить за выходом другой RNN. На каждом временном шаге он фокусируется на разных позициях в другой RNN.

Для решения этих проблем Attention - это метод, который используется в нейронной сети. Для RNN вместо кодирования всего предложения в скрытом состоянии каждое слово имеет соответствующее скрытое состояние, которое передается на всем пути к стадии декодирования. Затем скрытые состояния используются на каждом этапе RNN для декодирования. На следующем гифке показано, как это происходит.

Шаг зеленого цвета называется этапом кодирования , а этап фиолетового цвета - этапом декодирования . GIF от 3

Идея заключается в том, что в каждом слове предложения может содержаться релевантная информация. Таким образом, чтобы декодирование было точным, необходимо учитывать каждое слово ввода, используя внимания.

Чтобы привлечь внимание к RNN при преобразовании последовательности, мы разделим кодирование и декодирование на 2 основных этапа. Одна ступенька представлена ​​ зеленым цветом , а другая фиолетовым. Шаг , зеленый, называется этапом кодирования , , а фиолетовый этап - этапом декодирования .

GIF из 3

Шаг зеленого цвета, отвечающий за создание скрытых состояний на входе. Вместо того, чтобы передавать декодерам только одно скрытое состояние, как мы делали до использования внимание , мы передаем все скрытые состояния, генерируемые каждым «словом» предложения, на этап декодирования. Каждое скрытое состояние используется на этапе декодирования , чтобы определить, на что сеть должна обратить внимание .

Например, при переводе предложения « Je suis étudiant» на английский язык требуется, чтобы на этапе декодирования при переводе учитывались разные слова.

На этой гифке показано, какой вес придается каждому скрытому состоянию при переводе предложения Je suis étudiant на английский язык. Чем темнее цвет, тем большее значение придается каждому слову. GIF из 3

Или, например, когда вы переводите предложение «L’accord sur la zone économique européenne a été signé en août 1992». с французского на английский и сколько внимания уделяется каждому входу.

Перевод предложения «L’accord sur la zone économique européenne a été signé en août 1992." на английский. Изображение из 3

Но некоторые из проблем, которые мы обсуждали, все еще не решены с помощью RNN, использующих внимание . Например, параллельная обработка входных данных (слов) невозможна. Для большого объема текста это увеличивает время, затрачиваемое на перевод текста.

Сверточные нейронные сети помогают решить эти проблемы. С их помощью мы можем

  • Тривиально распараллелить (для каждого слоя)
  • Использовать локальные зависимости
  • Расстояние между позициями логарифмическое

Некоторые из самых популярных нейронных сетей для преобразования последовательностей, Wavenet и Bytenet, являются сверточными нейронными сетями.

Wavenet, модель представляет собой сверточную нейронную сеть (CNN). Изображение из 10

Причина, по которой сверточные нейронные сети могут работать параллельно, заключается в том, что каждое слово на входе может обрабатываться одновременно и не обязательно зависит от предыдущих слов, которые нужно перевести. Более того, «расстояние» между выходным словом и любым входом для CNN составляет порядка log (N) - это размер высоты дерева, сгенерированного от выхода к входу (вы можете увидеть это на гифке выше.Это намного лучше, чем расстояние между выходом RNN и входом, которое составляет порядка N .

Проблема в том, что сверточные нейронные сети не обязательно помогают с проблемой выяснения проблемы зависимостей при переводе предложений. Именно поэтому были созданы Transformers , они представляют собой сочетание обоих CNN с вниманием.

Чтобы решить проблему распараллеливания, Transformers пытаются решить эту проблему, используя сверточные нейронные сети вместе с моделями внимания . Внимание увеличивает скорость перевода модели из одной последовательности в другую.

Давайте посмотрим, как работает Transformer . Трансформер - это модель, которая использует внимание для увеличения скорости. В частности, он использует самовнимание.

Трансформатор. Image from 4

Внутри Transformer имеет такую ​​же архитектуру, что и предыдущие модели, представленные выше. Но Transformer состоит из шести кодеров и шести декодеров.

Изображение из 4

Все кодировщики очень похожи друг на друга. Все кодеры имеют одинаковую архитектуру. Декодеры имеют одно и то же свойство, то есть они очень похожи друг на друга. Каждый кодировщик состоит из двух уровней: Самовнимание, и нейронной сети прямого распространения.

Изображение из 4

Входы кодировщика сначала проходят через слой самовнимания . Это помогает кодировщику смотреть на другие слова во входном предложении при кодировании определенного слова. В декодере есть оба этих уровня, но между ними есть уровень внимания, который помогает декодеру сосредоточиться на соответствующих частях входного предложения.

Изображение из 4

Примечание: Этот раздел взят из записи блога Джея Алламара

Давайте начнем смотреть на различные векторы / тензоры и то, как они перемещаются между этими компонентами, чтобы превратить входные данные обученной модели в выходные. Как и в случае с приложениями НЛП в целом, мы начинаем с преобразования каждого входного слова в вектор, используя алгоритм встраивания.

Изображение взято из 4

Каждое слово вложено в вектор размером 512. Мы представим эти векторы этими простыми рамками.

Встраивание происходит только в самый нижний кодировщик. Абстракция, которая является общей для всех кодировщиков, заключается в том, что они получают список векторов, каждый размером 512.

В нижнем кодировщике это будет слово embeddings, но в других кодировщиках это будет выход кодировщика, который прямо внизу. После встраивания слов в нашу входную последовательность каждое из них проходит через каждый из двух уровней кодировщика.

Изображение из 4

Здесь мы начинаем видеть одно ключевое свойство преобразователя, а именно то, что слово в каждой позиции проходит по своему собственному пути в кодировщике.Между этими путями на уровне самовнимания есть зависимости. Однако уровень прямой связи не имеет этих зависимостей, и, таким образом, различные пути могут выполняться параллельно при прохождении через слой прямой связи.

Затем мы заменим пример более коротким предложением и посмотрим, что происходит на каждом подуровне кодировщика.

Self-Attention

Давайте сначала посмотрим, как вычислить самовнимание с помощью векторов, а затем перейдем к рассмотрению того, как это на самом деле реализовано - с помощью матриц.

Выявление отношения слов в предложении и уделение ему внимания . Изображение из 8

Первый шаг в вычислении самовнимания состоит в том, чтобы создать три вектора из каждого из входных векторов кодировщика (в данном случае - вложение каждого слова). Итак, для каждого слова мы создаем вектор запроса, вектор ключа и вектор значения. Эти векторы создаются путем умножения вложения на три матрицы, которые мы обучили в процессе обучения.

Обратите внимание, что эти новые векторы меньше по размерности, чем вектор внедрения.Их размерность составляет 64, в то время как векторы ввода / вывода встраивания и кодировщика имеют размерность 512. Они НЕ ДОЛЖНЫ быть меньше, это выбор архитектуры, позволяющий сделать вычисление многогранного внимания (в основном) постоянным.

Изображение взято из 4

Умножение x1 на весовую матрицу WQ дает q1, вектор «запроса», связанный с этим словом. В итоге мы создаем проекцию «запроса», «ключа» и «значения» для каждого слова во входном предложении.

Что такое векторы «запроса», «ключа» и «значения»?

Это абстракции, которые полезны для вычисления внимания и размышления о нем.Когда вы перейдете к чтению того, как рассчитывается внимание ниже, вы будете знать почти все, что вам нужно знать о роли каждого из этих векторов.

Второй шаг в вычислении самовнимания - это подсчет баллов. Допустим, мы рассчитываем самовнимание для первого слова в этом примере - «мышление». Нам нужно сопоставить каждое слово входного предложения с этим словом. Оценка определяет, сколько внимания следует уделять другим частям входного предложения, когда мы кодируем слово в определенной позиции.

Оценка рассчитывается как скалярное произведение вектора запроса на ключевой вектор соответствующего слова, которое мы оцениваем. Итак, если мы обрабатываем самовнимание для слова в позиции №1, первая оценка будет скалярным произведением q1 и k1. Вторая оценка будет скалярным произведением q1 и k2.

Изображение из 4

На третьем и четвертом шагах баллы делятся на 8 (квадратный корень из размерности ключевых векторов, используемых в статье - 64. Это приводит к получению более стабильных градиентов.Здесь могут быть другие возможные значения, но это значение по умолчанию), а затем передать результат через операцию softmax. Softmax нормализует оценки, так что все они положительные и в сумме составляют 1.

Изображение из 4

Эта оценка softmax определяет, насколько каждое слово будет выражено в этой позиции. Очевидно, что слово в этой позиции будет иметь наивысший балл softmax, но иногда полезно обратить внимание на другое слово, имеющее отношение к текущему слову.

Пятый шаг - это умножение каждого вектора значений на оценку softmax (при подготовке к их суммированию).Интуиция здесь заключается в том, чтобы сохранить неизменными значения слов, на которых мы хотим сосредоточиться, и заглушить не относящиеся к делу слова (например, умножив их на крошечные числа, такие как 0,001).

Шестой этап - суммирование векторов взвешенных значений. Это дает результат слоя самовнимания в этой позиции (для первого слова).

Изображение из 4

На этом расчет самовнимания завершен. Результирующий вектор - это тот, который мы можем отправить в нейронную сеть с прямой связью.Однако в реальной реализации этот расчет выполняется в матричной форме для более быстрой обработки. Итак, давайте посмотрим на это теперь, когда мы увидели интуитивное вычисление на уровне слов.

Multihead Внимание

Трансформаторы в принципе так и работают. Есть еще несколько деталей, которые улучшают их работу. Например, вместо того, чтобы обращать внимание друг на друга только в одном измерении, Трансформеры используют концепцию многоголового внимания.

Идея заключается в том, что всякий раз, когда вы переводите слово, вы можете уделять каждому слову разное внимание в зависимости от типа вопроса, который вы задаете.На изображениях ниже показано, что это значит. Например, когда вы переводите «ударом ногой» в предложении «Я ударил по мячу», вы можете спросить «Кто ударил ногой». В зависимости от ответа перевод слова на другой язык может измениться. Или задайте другие вопросы, например: «Что сделал?» И т. Д.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *