درک ترانسفورماتورهای قدرت: القای الکترومغناطیسی و ولتاژ

ترانسفورماتورهای قدرت چگونه کار می کنند: راهنمای کامل القای الکترومغناطیسی و تبدیل ولتاژ

احتمالاً میلیون‌ها بار از یکی رد شده‌اید بدون اینکه واقعاً متوجه شوید - که فلز خاکستری می‌تواند روی یک تیر برق بنشیند، یا جعبه سبز تیره در حیاط خلوت کسی زمزمه کند. نادیده گرفتن آن‌ها بسیار آسان است، اما اگر آن‌ها نبودند، وصل کردن توستر می‌توانست به یک آتش‌بازی تبدیل شود که واقعاً نمی‌خواهید. این چیزها ترانسفورماتورهای قدرت هستند، و اساساً مانند مترجمی بین برق{3}} دیوانه‌واری که از نیروگاه می‌آید و چیزهای مطمئنی که یخچال و تلفن شما واقعاً به آن نیاز دارند، عمل می‌کنند.

نیروگاه ها معمولاً صدها مایل از محل زندگی ما فاصله دارند، بنابراین مهندسان این سردرد بزرگ را دارند که آن را «مشکل گرما» می نامند. سیم‌ها مقاومت دارند - آن را مانند اصطکاک روی لغزنده در نظر بگیرید. اگر سعی می کردید ولتاژ معمولی خانگی (مانند 120 ولت) را تا این حد ارسال کنید، بیشتر انرژی قبل از رسیدن به خانه شما به گرمای بی فایده تبدیل می شود. پوف - رفت.

بنابراین شبکه هوشمندانه می شود و با برق مانند آب در یک لوله برخورد می کند. ولتاژ فشار است، جریان مقداری است که در واقع جریان دارد. برای اینکه برق را واقعاً به دور بدون از دست دادن تمام آن فشار دهند، ولتاژ را به سمت بالا - گاهی صدها هزار ولت افزایش می دهند. این مانند استفاده از شلنگ آتش نشانی به جای شلنگ باغ است: فشار بالا کار را در مسافت های طولانی انجام می دهد. اما همین فشار دیوانه کننده فوراً لپ تاپ یا چراغ های شما را سرخ می کند. اینجاست که ترانسفورماتور وارد می‌شود - «شلنگ آتش‌نشانی» خطرناک را از خطوط بزرگ می‌گیرد و آن را به جریان ملایم «شلنگ باغ» تبدیل می‌کند که خانه‌تان می‌تواند تحمل کند. و جالب ترین قسمت؟ همه این کارها را با قطعات متحرک صفر انجام می دهد.

تصور کنید باغ خود را با یک شلنگ ده{0}}مایلی- آبیاری کنید. زمانی که آب به پایان می رسد، اصطکاک تقریباً تمام فشار را از بین می برد و شما اساساً چیزی دریافت نمی کنید. برق هم همین مشکل را دارد. سیم ها با الکترون ها مبارزه می کنند (این مقاومت است)، و اگر ولتاژ معمولی را در فواصل طولانی بفرستید، بیشتر آن به صورت گرما می سوزد.

راه حل یک معامله ناچیز است-. مهندسان متوجه شدند که جریان (جریان واقعی الکترون ها) چیزی است که بیشتر گرما را ایجاد می کند. بنابراین آنها ولتاژ فوق العاده بالا را افزایش می دهند، که به آنها اجازه می دهد جریان را پایین بیاورند در حالی که همچنان همان توان کلی را ارائه می دهند. مثل یک الاکلنگ - ولتاژ بالاتر، جریان کمتر، گرمای کمتر، برق ارزان‌تر برای همه ما.

به همین دلیل است که آن برج های فولادی عظیم تا 500000 ولت را حمل می کنند. آنها اساساً بزرگراههای-فشار و کم{4}}ترافیک برای برق هستند. البته، شما نمی خواهید چنین ولتاژی از پریز دیواری شما خارج شود، بنابراین ترانسفورماتورها قبل از رسیدن به خانه، آن را پایین می آورند.

در اینجا{0}}بخش شگفت‌انگیز است: داخل یک ترانسفورماتور، سیم-ولتاژ بالا و سیم ولتاژ پایین- هرگز با هم تماس ندارند. آنها نیازی ندارند. به لطف کشف مایکل فارادی در دهه 1830، الکتریسیته و مغناطیس اساساً دو روی یک سکه هستند.

جریان را از یک سیم عبور دهید و یک میدان مغناطیسی چرخشی در اطراف آن ایجاد می کند، مانند یک گردباد نامرئی. به پرتاب سنگ در یک حوض فکر کنید - سنگ امواجی ایجاد می کند که یک برگ شناور در نزدیکی بدون اینکه هرگز آن را لمس کند حرکت می دهد. این تقریباً همان چیزی است که اینجا اتفاق می افتد.

ترانسفورماتور دارای دو سیم پیچ مجزا است که دور یک هسته بزرگ آهنی پیچیده شده است:

برق به اولین سیم پیچ (به نام اولیه) می رود.

این یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که به سرعت رشد می کند و فرو می ریزد.

میدان مغناطیسی متحرک به سمت بالا می رسد و الکترون ها را در سیم پیچ دوم (ثانویه) هل می دهد و جریان کاملا جدیدی ایجاد می کند.

این استقرا متقابل نامیده می شود. این اجازه می دهد تا انرژی به صورت بی سیم از یک مدار به مدار دیگر بپرد. و با تغییر تعداد حلقه های هر سیم پیچ، مهندسان می توانند ولتاژ را هر طور که بخواهند افزایش یا کاهش دهند. خیلی نرم، درست است؟

یکی را باز کنید (البته با خیال راحت) و به طرز شگفت آوری ساده است - فقط دو قرقره سیم مسی و یک پشته سنگین ورق آهن. سیم پیچ اولیه جایی است که برق وارد می شود، سیم پیچ ثانویه جایی است که قطع می شود. هسته آهنی ستاره است: میدان مغناطیسی را می گیرد و آن را مستقیماً به سیم پیچ دیگر تقریباً بدون تلفات قیف می کند. بدون هسته، مغناطیس در هوا محو می شود.

هرچه تعداد حلقه های سیم بیشتر باشد، اثر قوی تر است. تعداد دورهای بین دو سیم پیچ و بوم را تغییر دهید - شما ولتاژ را کنترل می کنید. More مرحله ثانویه=را فعال می‌کند-. تعداد کمتری=گام به پایین-می برد.

این کار بسیار شبیه تعویض دنده در دوچرخه است. اگر ترانسفورماتور اولیه کمتر از ثانویه چرخش داشته باشد، ولتاژ افزایش می‌یابد - که ترانسفورماتور یک پله-بالا است (در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود). اگر چرخش اولیه بسیار بیشتر باشد، ولتاژ - پله-ترانسفورماتور پایین می‌آید (آنچه روی قطب‌ها و شارژر خود می‌بینید).

نسبت چرخش دقیقاً به شما می گوید که چه اتفاقی خواهد افتاد. نیمی از نوبت در ثانویه؟ ولتاژ نصف میشه و به لطف حفظ انرژی، وقتی ولتاژ بالا می رود، جریان کاهش می یابد (و بالعکس). مثل این است که انگشت شست خود را روی انتهای شیلنگ فشار دهید - فشار بیشتری داشته باشید، اما آب کمتری خارج شود.

یک ترانسفورماتور را به یک باتری معمولی (DC) وصل کنید و هیچ اتفاق مفیدی نمی‌افتد - فقط یک سیم داغ و یک باتری مرده دریافت می‌کنید. ترانسفورماتورها به جریان متناوب (AC) نیاز دارند زیرا به یک میدان مغناطیسی دائما در حال تغییر متکی هستند. AC 60 بار در ثانیه جهت می‌چرخد، که باعث می‌شود میدان مغناطیسی پمپاژ شود و به انرژی اجازه می‌دهد از سیم‌پیچ‌ها عبور کند.

DC ثابت و یکطرفه است، بنابراین میدان مغناطیسی بعد از اولین لحظه در آنجا می‌نشیند. بدون حرکت، بدون القاء. به همین دلیل است که کل شبکه ما روی AC کار می کند - این تنها راه آسان برای بالا و پایین بردن ولتاژ است.

هسته آهنی یک نقطه ضعف بزرگ دارد - جریان الکتریسیته را نیز هدایت می کند. میدان مغناطیسی ضربانی سعی می کند "جریان های گردابی" چرخشی را در داخل آهن ایجاد کند که انرژی را به عنوان گرما هدر می دهد (گاهی برای ذوب شدن کل چیز کافی است).

راه حل؟ اتو را به ورقه های{0} فوق العاده نازک برش دهید، هر کدام را با عایق بپوشانید و روی هم قرار دهید. مغناطیس هنوز به خوبی عبور می کند، اما این جریان های گردابی شکسته می شوند. همچنین از دست دادن پسماند ناشی از چرخش‌های مغناطیسی کوچک که 60 بار در ثانیه اتفاق می‌افتد - اصطکاک و گرمای داخلی بیشتر است.

ترانسفورماتورهای بزرگ در مخازن روغن مخصوص قرار می گیرند که همه چیز را خنک می کند (مانند رادیاتور) و عایق اضافی اضافه می کند. این ترکیب به همین دلیل است که این چیزها می توانند چندین دهه دوام بیاورند.

در یک سد آبی، برق در حدود 20000 ولت تولید می شود. یک ترانسفورماتور بزرگ{3}}بالا، آن را تا 230000 ولت یا بیشتر می‌برد تا بتواند مسافت‌های طولانی را بدون تلفات زیاد طی کند.

در لبه شهر، ترانسفورماتورهای پست آن را تا حدود 13000 ولت کاهش می دهند. سپس قوطی خاکستری روی تیرک (یا جعبه سبز رنگ در حیاط) آن را تا 120/240 ولت برای خانه شما پایین می آورد. در نهایت شارژر گوشی شما آن را دوباره به 5 یا 12 ولت کاهش می دهد.

آن الکتریسیته قبل از اینکه به صفحه نمایش شما برسد، چهار یا پنج بار "لباس" را تغییر می دهد. وقتی به آن فکر می کنید بسیار وحشی است.

این جعبه ها باید هزاران ولت را در خود نگه دارند، بنابراین از عایق قوی و قطعات سرامیکی آجدار در بالای آن استفاده می کنند تا از پریدن برق به جایی که نباید جلوگیری کنند. گرما دشمن آهسته است - بارهای سنگین یا تابستان‌های گرم می‌توانند دما را خیلی بالا ببرند و روغن را تخریب کنند.

هنگامی که عایق در نهایت از کار می افتد، گاهی اوقات صدای بوم بلندی را می شنوید (مثل برخورد رعد و برق کوچک در داخل مخزن) و قسمت هایی از محله تاریک می شود. سنجاب ها، رعد و برق یا بارهای اضافه مظنونین معمول هستند. با این حال، طراحی اولیه به سختی در بیش از 100 سال تغییر کرده است زیرا بسیار خوب کار می کند.

دفعه بعد که یکی از آن جعبه های وزوز را دیدید، کمی به آن احترام بگذارید. بی سر و صدا در حال انجام برخی فیزیک های بسیار جالب - با استفاده از "دست دادن نامرئی" بین الکتریسیته و مغناطیس است تا دنیای مدرن ما را ایمن و کارآمد نگه دارد.

حتی با وجود تقاضای دیوانه‌وار امروزی از سوی مراکز داده هوش مصنوعی و انرژی‌های تجدیدپذیر که دستیابی به ترانسفورماتورها را سخت می‌کند، ایده اصلی همچنان همان ترفند ظریفی است که بیش از یک قرن از آن استفاده می‌کردیم. شبکه فقط سیم نیست - بلکه دسته‌ای از چرخ دنده‌های مغناطیسی است که انرژی را بی‌صدا تغییر می‌دهند تا بتوانید تلفن خود را بدون منفجر کردن خانه شارژ کنید.

اکنون تماس بگیرید