Un transformador es un dispositivo que transfiere la energía eléctrica a partir de un circuito a otro a través de cambiante eléctrico inductivo juntado de los conductores A que actual en el primer circuito (el primario) crea un campo magnético de cambio; alternadamente, este del campo magnético induce un voltaje cambiante en el segundo circuito (el secundario). Agregando una carga al circuito secundario, uno puede hacer flujo actual en el transformador, así transfiriendo energía a partir de un circuito al otro.
El inducido secundario VS del voltaje es escalado del primario VP por un factor ideal igual al cociente del número de vueltas del alambre en sus bobinas respectivas:
Por la selección apropiada de los números de vueltas, un transformador permite así que un voltaje alterno sea &mdash intensificado; haciendo el NS más que &mdash del NP ; o reducido, haciéndolo menos.
Un uso dominante de transformadores es reducir la corriente antes de transmitir energía eléctrica sobre distancias largas a través de los alambres. La mayoría de los alambres tienen resistencia y así que disipar la energía eléctrica a una tarifa proporcional al cuadrado de la corriente a través del alambre. Transformando corriente eléctrica a una forma de alto voltaje, y por lo tanto de poca intensidad para la transmisión y la parte posterior otra vez luego, los transformadores permiten la transmisión económica de la energía sobre distancias largas. Por lo tanto, los transformadores han formado la industria del suministro de electricidad, permitiendo que la generación sea establecida remotamente de puntos de la demanda . Todo pero una fracción de la corriente eléctrica del mundo ha pasado con una serie de transformadores para el momento en que alcance a consumidor.
Los transformadores son algunas de la mayoría de las “máquinas eléctricas eficientes”, con algunas unidades grandes capaces de transferir 99.75% de su energía de entrada a su salida. Los transformadores vienen en una gama de tamaños de un transformador de acoplamiento uña del pulgar-clasificado ocultado dentro de un micrófono de la etapa a las unidades enormes que pesan centenares de toneladas usadas para interconectar las porciones de las rejillas de energía nacionales que todos funcionan con los mismos principios de base, aunque una variedad de diseños existen para realizar papeles especializados a través del hogar y de la industria.
Principios de base
El transformador se basa en dos principios: primero, eso una corriente eléctrica puede producir un campo magnético (electromagnetismo ) y, segundo, de que un campo magnético de cambio dentro de una bobina del alambre induce un voltaje a través de los extremos de la bobina (inducción electromágnetica ). Cambiando la corriente en la bobina primaria, una cambia la fuerza de su campo magnético; puesto que la bobina secundaria se envuelve alrededor del mismo campo magnético, un voltaje se induce a través del secundario.
Un diseño simplificado del transformador se demuestra a la derecha. Un paso actual a través de la bobina primaria crea un campo magnético . Las bobinas primarias y secundarias se envuelven alrededor de una base de la permeabilidad magnética muy alto, tal como hierro ; esto se asegura de que la mayor parte de las líneas del campo magnético producidas por la corriente primaria estén dentro del hierro y pasen a través de la bobina secundaria tan bien como la bobina primaria.
Ley de la inducción
El voltaje inducido a través de la bobina secundaria se puede calcular de la ley de Faraday de la inducción, que indica eso
donde está el voltaje el VS instantáneo, el S del del N es el número de vueltas en la bobina secundaria y el Φ iguala el flujo magnético total con una vuelta de la bobina. Si las vueltas de la bobina son perpendicular orientado a las líneas del campo magnético, el flujo es el producto del B de la fuerza del campo magnético y del A del área a través de los cuales corta. El área es constante, siendo igual a la superficie transversal de la base del transformador, mientras que el campo magnético varía con tiempo según la excitación del primario. Puesto que el mismo flujo magnético pasa a través de las bobinas primarias y secundarias en un transformador ideal, el voltaje instantáneo a través de los iguales de la bobina primaria Tomar el cociente de las dos ecuaciones para el VS y el VP da la ecuación básica para intensificar o reducir el voltaje Si la bobina secundaria se ata a una carga que permita que fluya la corriente, la corriente eléctrica se transmite del circuito primario al circuito secundario. Ideal, el transformador es perfectamente eficiente; toda la energía entrante se transforma del circuito primario al campo magnético y por lo tanto al circuito secundario. Si se cumple esta condición, la energía eléctrica entrante debe igualar la energía saliente donante de la ecuación ideal del transformador Así, si se intensifica el voltaje (el VS > el VP ), después la corriente es reducido (el IS < el IP ) por el mismo factor. En la práctica, la mayoría de los transformadores son muy eficientes (véase abajo), de modo que esta fórmula sea una buena aproximación. La impedancia en un circuito es transformada por el cuadrado cociente de las vueltas. Cuando un voltaje se aplica a la bobina primaria, los pequeños flujos actuales, conduciendo el flujo alrededor del circuito magnético de la base. Puesto que las bobinas ideales no tienen ninguna impedancia, no tienen ninguna caída de voltaje asociada, y así que los voltajes VP y VS medidos en los terminales del transformador, son iguales al EMFs correspondiente. Llaman Al EMF primario, actuando como hace en la oposición al voltaje primario, a veces el " " trasero del EMF ;. Esto es debido a la ley de Lenz que indica que la inducción del EMF sería siempre tal que se opondrá al desarrollo de cualquier cambio en campo magnético. considera también: la inductancia de la salida El modelo ideal del transformador asume que todo el flujo generado por la bobina primaria liga todas las vueltas de cada bobina, incluyendo sí mismo. En la práctica, un cierto flujo atraviesa las trayectorias que lo toman fuera de las bobinas. Tal flujo se llama el flujo de la salida del, y se manifiesta como autoinductancia en las series con las bobinas mutuamente juntadas del transformador. Los boquetes de aire también se utilizan para guardar un transformador de la saturación, especialmente los transformadores de la audiofrecuencia que tienen un componente de la C. Generalmente la operación de un transformador en su voltaje diseñado pero en una frecuencia más alta que prevista llevará a reducido el magnetizar de la corriente. En una frecuencia más bajo que el valor del diseño, con el voltaje clasificado aplicado, la corriente que magnetiza puede aumentar a un nivel excesivo. La operación de un transformador en con excepción de su frecuencia del diseño puede requerir el gravamen de voltajes, de pérdidas, y del enfriamiento para establecer si la operación segura es práctica. Por ejemplo, los transformadores pueden necesitar ser equipado del " voltios por hertz" el de la sobre-excitación retransmite para proteger el transformador contra la sobretensión en la frecuencia más arriba que clasificada. El conocimiento de frecuencias naturales de las bobinas del transformador es de importancia para la determinación de la respuesta transitoria de las bobinas a los picos de voltaje del impulso y de la conmutación. Las pérdidas del transformador son atribuibles a varias causas y se pueden distinguir entre ésos que originan en las bobinas, a veces llamadas la pérdida del cobre, y ésas que se presentan del circuito magnético, a veces llamado la pérdida del hierro. Las pérdidas varían con la corriente de la carga, y se pueden además expresar como " ninguÌn-load" o " lleno-load" pérdida, respectivamente. La resistencia de la bobina domina pérdidas de carga, mientras que la histéresis y las pérdidas de las corrientes de Foucault contribuyen sobre al 99% de la pérdida sin carga. La pérdida sin carga puede ser significativa, significar que incluso un transformador ocioso constituye un dren en una fuente eléctrica, y ímpetu del préstamos al desarrollo de transformadores de pequeñas pérdidas (también ver el transformador económico de energía ). Las pérdidas en el transformador se presentan de: ; La corriente del de la resistencia de la bobina del que atraviesa las bobinas causa a la calefacción resistente de los conductores. En frecuencias más altas, el efecto de piel y el efecto de proximidad crean resistencia y pérdidas adicionales de la bobina. ; El de las pérdidas de histéresis del cada vez que se invierte el campo magnético, una pequeña cantidad de energía es perdido debido a la histéresis dentro de la base. Para un material dado de la base, la pérdida es proporcional a la frecuencia, y es una función de la densidad de flujo máxima a la cual se sujeta. ; La inductancia perdida de la salida del de las pérdidas está por sí mismo sin pérdidas, puesto que la energía suministrada a sus campos magnéticos se vuelve a la fuente con el mitad-ciclo siguiente. Sin embargo, cualquie flujo de la salida que los materiales conductores próximos de las intercepciones tales como la estructura de la ayuda del transformador den lugar a corrientes de Foucault y serán convertidos al calor. El apagón en las bobinas es actual-dependiente y se representa fácilmente como el in-series RP de las resistencias y RS . Fundirse los resultados de la salida en una fracción del voltaje aplicado caído sin contribuir al de acoplamiento mutuo, y puede ser modelado así como el XP de las autoinductancias y XS en serie con la región perfecto-juntada. Las pérdidas del hierro son causadas sobre todo por la histéresis y los efectos de la corriente de Foucault en la base, y tienden a ser proporcionales al cuadrado del flujo de la base para la operación en una frecuencia dada. Puesto que el flujo de la base es proporcional al voltaje aplicado, la pérdida del hierro se puede representar por un RC de la resistencia paralelamente al transformador ideal. Una base con la permeabilidad finita requiere un actual que magnetiza IM mantener el flujo mutuo en la base. La corriente que magnetiza es en fase con el flujo; los efectos de la saturación hacen la relación entre los dos ser no linear, pero para la simplicidad este efecto tiende a ser no hecho caso en la mayoría de los equivalentes del circuito. Puesto que voltio-por-dar vuelta está iguales en ambas bobinas, cada uno desarrolla un voltaje en proporción con su número de vueltas. Exponiendo la parte de las bobinas de la bobina y haciendo que la conexión secundaria a través de un de desplazamiento cepilla, un autotransformador con un cociente variable cercano-continuo de las vueltas es obtenido, teniendo en cuenta el control muy fino del voltaje. Los transformadores de la salida se utilizan para la soldadura al arco y las lámparas de descarga de alto voltaje (las lámparas fluorescentes del cátodo frío que son en serie hasta 7.5 kilovoltio de CA). Actúa entonces como transformador del voltaje y como lastre magnético . Otros usos son transformadores adicional-bajos del voltaje de la corto-circuito-prueba para los juguetes o las instalaciones del timbre . Los transformadores del voltaje (VTs) se utilizan para medir y la protección en circuitos de alto voltaje. Se diseñan para presentar la ltajes insign a la medición n elais un ar del s bajo a los altos voltajes s bajo cial para poder funcionar medición y el equipo protector del relais en un potencial más bajo. Las muchas aplicaciones a las cuales se ponen los transformadores las llevan para ser clasificadas en un número de maneras diferentes: por el nivel de energía : de una fracción de un voltamperio (VA) sobre a mil MVA; Un diseño común de base laminada se hace de apilados interpolados de hojas de acero E-shaped capsuladas con los pedazos Yo-shaped, llevando a su nombre del " Transformer" del E-I;. Los dispositivos de la protección de la sobreintensidad de corriente tales como fusibles se deben seleccionar para permitir que esta avalancha inofensiva pase. En los transformadores conectados con de largo, las líneas de transmisión de arriba de energía, las corrientes inducidas debido a los disturbios geomagnéticos durante las tormentas solares pueden causar la saturación de la base y la operación de los dispositivos de protección del transformador. Los transformadores de la distribución pueden alcanzar pérdidas sin carga bajas usando los corazones hechos con el acero de pequeñas pérdidas del silicio de la alto-permeabilidad o la aleación (no cristalina) amorfa del metal. El coste inicial más alto del material de la base es compensado durante la vida del transformador por sus pérdidas más bajas en la carga ligera. Los transformadores toroidales son más eficientes que los tipos laminados más baratos del E-I para un nivel de energía similar. Otras ventajas comparadas a los tipos del E-I, incluyen un tamaño más pequeño (alrededor a medias), un peso más bajo (alrededor a medias), menos ronquido mecánico (que los hace superiores en amplificadores audios), un campo magnético exterior más bajo (cerca de un décimo), bajo sacan datos las pérdidas (que las hacen más eficientes en circuitos espera), el montaje del solo-perno, y la mayor opción de formas. Las desventajas principales son un coste más alto y grado limitado. Los corazones toroidales de la ferrita se utilizan en frecuencias más altas, típicamente entre algunos diez de kilociclos a un megaciclo, para reducir pérdidas, tamaño físico, y el peso de las fuentes de alimentación del interruptor-modo . Una desventaja de la construcción toroidal del transformador es el coste más alto de bobinas. Por consiguiente, los transformadores toroidales son infrecuentes sobre grados de alguno KVA. Los pequeños transformadores de la distribución pueden alcanzar algunas de las ventajas de una base toroidal partiéndola y forzándola para abrirse, entonces insertando una bobina que contiene bobinas primarias y secundarias. El material que conduce usado para las bobinas depende del uso, pero en todos los casos las vueltas del individuo deben estar eléctricamente - aislado de uno a para asegurarse de que la corriente viaja a través de cada vuelta. Para los pequeños transformadores de la energía y de la señal, en los cuales las corrientes son bajas y la diferencia potencial entre las vueltas adyacentes es pequeña, las bobinas se hieren a menudo del alambre esmaltado del imán, tal como alambre de Formvar. Los transformadores de una energía más grande que funcionan en los altos voltajes se pueden herir con los conductores rectangulares de cobre de la tira aislados por el papel y los bloques impregnados de aceite del cartón prensado . Los transformadores de alta frecuencia que funcionan en los diez a los centenares de kilociclos tienen a menudo bobinas hechas del alambre trenzado del litz para reducir al mínimo las pérdidas del piel-efecto y del efecto de proximidad . Un cierto " dry" los transformadores se incluyen en los tanques a presión y son refrescados por el nitrógeno o el gas del hexafluorudo del sulfuro. También exhibieron la invención en Turín en 1884, donde fue adoptada para un sistema de iluminación eléctrico. El Guillermo Stanley, ingeniero para Westinghouse, construyó el primer dispositivo comercial en 1885 después de George que Westinghouse había comprado las patentes de Gaulard y de Gibbs. La base fue hecha de las placas E-shaped del hierro que se enclavijaban. Este diseño primero fue utilizado comercialmente en 1886. Su solicitud de patente hizo el primer uso del " de la palabra; transformer".
Ecuación ideal de la energía
Consideraciones prácticas
Salida del flujo
Efecto de la frecuencia
El término del tiempo-derivado en la ley de Faraday demuestra que el flujo en la base es el integral del voltaje aplicado. Un transformador ideal, por lo menos hipotético, trabajo bajo excitación continua, con el flujo de la base aumentando linear con tiempo. En la práctica, el flujo se levantaría muy rápido al punto donde ocurrió la saturación magnética de la base, causando un aumento enorme en magnetizar actual y el recalentamiento del transformador. Todos los transformadores prácticos deben por lo tanto funcionar bajo (o pulsado) condiciones actuales de alternancia. Pérdidas de energía
Un transformador ideal no tendría ninguna pérdida de energía, y por lo tanto sería el 100% eficiente. A pesar de el transformador que está entre el más eficiente de máquinas eléctricas, con los modelos experimentales usar las bobinas superconductoras que alcanzan eficacias de 99.85%, la energía se disipa en las bobinas, quita el corazón, y las estructuras circundantes. Transformadores más grandes son generalmente más eficientes, y ésos clasificados para la distribución de la electricidad realizan generalmente mejor el de 95%. Un pequeño transformador, tal como un " enchufable; brick" de la energía; utilizada para los productos electrónicos de consumo de baja potencia, pueden estar no más de el 85% eficiente; aunque el apagón individual sea pequeño, las pérdidas agregadas del número muy grande de tales dispositivos están viniendo bajo escrutinio creciente. Transformadores polifásicos
Para las fuentes trifásicas, un banco de tres transformadores monofásicos individuales puede ser utilizado, o las tres fases se pueden incorporar como solo transformador trifásico. En este caso, los circuitos magnéticos están conectados juntos, la base que contiene así un flujo trifásico de flujo. Un número de configuraciones de la bobina son posibles, dando lugar a diversas cualidades y la configuración polifásica particular de los defasajes uno es el transformador del zigzag, usado para el que pone a tierra y en la supresión de las corrientes armónicas . Transformadores resonantes
Un transformador resonante utiliza la inductancia de sus bobinas conjuntamente con los condensadores externos conectados en serie o paralelos a las bobinas, y/o la capacitancia de las bobinas ellos mismos, crear uno o más circuitos resonantes por ejemplo, puede utilizar la inductancia de la bobina primaria en serie con un condensador. La resonancia puede ayudar en la realización de un muy de alto voltaje a través del secundario. Los transformadores resonantes tales como la bobina de Tesla pueden generar voltajes muy altos, y pueden proporcionar una corriente mucho más alta que las máquinas electrostáticas de la generación de voltaje tales como el generador de Van de Graaff. Otro uso del transformador resonante es juntarse entre las etapas de un receptor superheterodino, donde la selectividad del receptor es proporcionada por los transformadores templados en los amplificadores de la intermedio-frecuencia. Transformadores de la salida
Un transformador de la salida, también llamado un transformador del perdido-campo, tiene una inductancia perceptiblemente más alta de la salida que otros transformadores, crecientes a veces en puente o una desviación magnético en su base entre primario y secundario, que es a veces ajustable con un tornillo de presión. Esto provee de un transformador una limitación actual inherente debido al acoplador flojo entre su primario y las bobinas secundarias. Las corrientes de la salida y de entrada son bajo bastante prevenir sobrecarga termal bajo todo el &ndash de las condiciones de carga; incluso si se pone en cortocircuito el secundario. Transformadores de instrumento
El transformador corriente es un dispositivo de la medida diseñado para proporcionar una corriente en su bobina secundaria proporcional a fluir actual en su primario. Los transformadores corrientes son de uso general en el que mide y el de retransmisión protector, donde facilitan la medida segura de corrientes grandes. Los aislantes medida del transformador corriente y trazado de circuito del control de los altos voltajes típicamente presentes en el circuito que es medido. Clasificación
por la gama de frecuencia : power-, audio, o radiofrecuencia ;
por la clase del voltaje: de algunos voltios a los centenares de kilovoltios;
refrescando el tipo : el aire se refrescó, aceite - llenado, ventilador refrescado, o refrigerado por agua;
por la función del uso: tal como fuente de alimentación, el emparejar de impedancia, voltaje de la salida y estabilizador actual, o aislamiento del circuito;
por el propósito del final: distribución, rectificador, horno de arco, salida del amplificador;
por el cociente de enrrollamiento de las vueltas: elevador, descender, aislando (cerca de cociente igual), variable. Construcción
Corazones
Corazones de acero laminados
Los transformadores para el uso en la energía o las frecuencias audios tienen típicamente corazones hechos del alto acero del silicio de la permeabilidad . El acero tiene una permeabilidad muchas veces que del espacio libre, y de la base sirva así reducir grandemente la corriente que magnetiza, y confina el flujo a una trayectoria que junte de cerca las bobinas. Los reveladores tempranos del transformador pronto realizaron que los corazones construidos del hierro sólido dieron lugar a pérdidas eddy-current prohibitivas, y sus diseños atenuaron este efecto con los corazones que consistían en los paquetes de alambres aislados del hierro. Las laminaciones finas se utilizan generalmente en los transformadores de alta frecuencia, con algunos tipos de laminaciones de acero muy finas capaces de funcionar hasta 10 kilociclo. Corazones sólidos
Los corazones pulverizados del hierro se utilizan en los circuitos (tales como fuentes de alimentación del interruptor-modo) que funcionan sobre frecuencias principales y hasta algunos diez de kilociclos. Estos materiales combinan la alta permeabilidad magnética con la alta resistencia eléctrica a granel . Para las frecuencias que extienden más allá de la venda del VHF, los corazones hechos de los materiales de cerámica magnético non-conductive llamados las ferritas son comunes. Una construcción de la tira se asegura de que los límites de grano sean alineados óptimo, mejorando la eficacia del transformador reduciendo la repugnancia de la base. La forma cerrada del anillo elimina los boquetes de aire inherentes en la construcción de una base del E-I. La sección representativa del anillo es generalmente cuadrada o rectangular, pero corazones más costosos con secciones representativas circulares están también disponibles. Las bobinas primarias y secundarias se hieren a menudo concéntrico para cubrir la superficie entera de la base. Esto reduce al mínimo la longitud del alambre necesaria, y también proporciona la investigación para reducir al mínimo el campo magnético de la base de generar interferencia electromágnetica . Corazones del aire
Una base física no es un requisito absoluto y un transformador de funcionamiento puede ser producido simplemente poniendo las bobinas en gran proximidad el uno al otro, un arreglo llamado un " aire-core" transformador. El aire que abarca el circuito magnético es esencialmente sin pérdidas, y así que un transformador del aire-corazón elimina la pérdida debido a la histéresis en el material de la base. para cuál es mantenido un coeficiente satisfactorio del acoplador cuidadosamente traslapando las bobinas primarias y secundarias. Bobinas
Líquido refrigerador
La operación extendida en las temperaturas altas es particularmente perjudicial al aislamiento del transformador. Los pequeños transformadores de la señal no generan calor significativo y no necesitan poca consideración dada a su gerencia termal . Los transformadores de energía clasificados hasta alguno KVA se pueden refrescar adecuado por el aire-enfriamiento convectivo natural, asistido a veces por los ventiladores. La disposición específica se debe adoptar para refrescar los transformadores de alta potencia, el tamaño físico más grande que requiere diseño cuidadoso transportar calor del interior. Algunos transformadores de energía se sumergen en el aceite especializado del transformador que actúa ambos como medio de enfriamiento, de tal modo prolongando el curso de la vida del aislamiento, y ayuda a reducir la descarga de corona . El aceite es un aceite mineral alto refinado que sigue siendo estable en las temperaturas altas de modo que el interno de formación de arcos no cause avería o el fuego; los transformadores que se utilizarán dentro deben utilizar un líquido inflamable. Hoy, silicón no tóxico, estable - los aceites basados, o los hidrocarburos fluorados pueden ser utilizados donde el costo de un líquido resistente al fuego compensa el coste de construcción adicional para una cámara acorazada del transformador. Terminales
Los transformadores muy pequeños tendrán plomos de alambre conectados directo con los extremos de las bobinas, y puestos en evidencia a la base de la unidad para las conexiones del circuito. Transformadores más grandes pueden tener los terminales empernados pesados, las barras de distribución o bujes aislados de alto voltaje hechos de polímeros o de porcelana. Un buje grande puede ser una estructura compleja puesto que debe proporcionar el control cuidadoso del gradiente de campo eléctrico sin dejar el aceite del escape del transformador. Historia
El principio del transformador fue demostrado en 1831 por el Michael Faraday, aunque él lo utilizara para demostrar solamente el principio de la inducción electromágnetica y no previera sus aplicaciones prácticas. Los diseños viables no aparecerían hasta los 1880s. Dentro menos que una década, el transformador era instrumental durante el " Guerra del " de las corrientes ; en considerar los sistemas de la corriente alternada triunfan sobre sus contrapartes continuas, una posición en la cual han seguido siendo dominantes. Random links: Relaciones exteriores de Mónaco | Subgrupo de la congruencia | Caminante del H.M. | Insignias navales del aviador | Taylor-Chaveta de Eliza