หม้อแปลง

หม้อแปลงแบบ O-core ประกอบด้วยขดลวดทองแดงสองขดพันรอบแกนแม่เหล็ก
ประเภทส่วนประกอบ	พาสซีฟ
หลักการ ทำงาน	การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
นักประดิษฐ์	ไมเคิล ฟาราเดย์[ 1 ]
ปีแห่งการประดิษฐ์	1831
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์

ในวิศวกรรมไฟฟ้าหม้อแปลงไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากวงจรไฟฟ้าหนึ่งไปยังอีกวงจรหนึ่ง หรือหลายวงจรกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดใดๆ ของหม้อแปลงจะทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็ก ที่เปลี่ยนแปลง ในแกนของหม้อแปลง ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ที่เปลี่ยนแปลงไปในขดลวดอื่นๆ ที่พันรอบแกนเดียวกัน พลังงานไฟฟ้าสามารถถ่ายโอนระหว่างขดลวดที่แยกจากกันได้โดยไม่ต้องมีการเชื่อมต่อที่เป็นโลหะ (ตัวนำ) ระหว่างสองวงจรกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ซึ่งค้นพบในปี ค.ศ. 1831 อธิบายถึงผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดใดๆ อันเนื่องมาจากฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงซึ่งล้อมรอบขดลวดนั้น

หม้อแปลงไฟฟ้าใช้สำหรับเปลี่ยน ระดับแรงดัน ไฟฟ้ากระแสสลับ โดยหม้อแปลงไฟฟ้าเหล่านี้เรียกว่า แบบ เพิ่มแรงดันหรือ แบบ ลดแรงดันเพื่อเพิ่มหรือลดระดับแรงดันไฟฟ้าตามลำดับ หม้อแปลงไฟฟ้ายังสามารถใช้เพื่อสร้างฉนวนไฟฟ้าระหว่างวงจรต่างๆ รวมถึงการเชื่อมต่อขั้นตอนของวงจรประมวลผลสัญญาณได้อีกด้วย นับตั้งแต่การประดิษฐ์หม้อแปลงไฟฟ้าแรงดันคงที่ ตัวแรก ในปี 1885 หม้อแปลงไฟฟ้าได้กลายเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการส่งการกระจายและการใช้งานพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ^{[ 2 ]}มีการออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าหลากหลายรูปแบบในการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์และพลังงานไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้ามีขนาดตั้งแต่ หม้อแปลง RFที่มีปริมาตรน้อยกว่าหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตร ไปจนถึงหน่วยที่มีน้ำหนักหลายร้อยตันที่ใช้เชื่อมต่อ โครง ข่าย ไฟฟ้า

สมการหม้อแปลงในอุดมคติ

ตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ :

${\displaystyle V_{\text{P}}=-N_{\text{P}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}}$

สมการ 1 [ a ] ​​[ 3 ]

${\displaystyle V_{\text{S}}=-N_{\text{S}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}}$

สมการที่ 2

โดยที่Φ คือแรงดันไฟฟ้าทันที t คือจำนวนรอบของขดลวด dΦ/dt คืออนุพันธ์ของฟลักซ์แม่เหล็ก Φ ที่ผ่านขดลวดหนึ่งรอบเทียบกับเวลา ( t ) และตัวห้อย_Pและ_Sหมายถึงขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ${\displaystyle V}$${\displaystyle N}$

หารสมการที่ 1 ด้วยสมการที่ 2:

อัตราส่วนการหมุน${\displaystyle ={\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}=a}$

สมการที่ 3

โดยที่สำหรับหม้อแปลงเพิ่มแรงดันa < 1 และสำหรับหม้อแปลงลดแรงดันa > 1 ^{[ 4 ]}

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานปรากฏพลังงานจริงและพลังงานปฏิกิริยาจะถูกอนุรักษ์ไว้ทั้งในอินพุตและเอาต์พุต:

${\displaystyle S=I_{\text{P}}V_{\text{P}}=I_{\text{S}}V_{\text{S}}}$

สมการที่ 4

โดยที่กำลังปรากฏและกระแสไฟฟ้าคือค่าใด ${\displaystyle S}$${\displaystyle I}$

เมื่อรวมสมการที่ 3 และสมการที่ 4 เข้ากับหมายเหตุท้ายนี้^{[ b ] [ 5 ]} จะได้ เอกลักษณ์หม้อแปลงในอุดมคติ:

${\displaystyle {\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {I_{\text{S}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}={\sqrt {\frac {L_{\text{P}}}{L_{\text{S}}}}}=a}$

สมการที่ 5

โดยที่ค่าความเหนี่ยวนำในตัวเองของขดลวดปฐมภูมิคือและ ค่าความเหนี่ยวนำในตัวเองของขดลวดทุติยภูมิคือ ${\displaystyle L_{\text{P}}}$${\displaystyle L_{\text{S}}}$

ตามกฎของโอห์มและเอกลักษณ์ของหม้อแปลงในอุดมคติ:

${\displaystyle Z_{\text{L}}={\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}}$

สมการที่ 6

${\displaystyle Z'_{\text{L}}={\frac {V_{\text{P}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {aV_{\text{S}}}{I_{\text{S}}/a}}=a^{2}{\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}=a^{2}{Z_{\text{L}}}}$

สมการที่ 7

โดยที่คืออิมพีแดนซ์โหลดของวงจรทุติยภูมิ และคืออิมพีแดนซ์โหลดปรากฏหรืออิมพีแดนซ์จุดขับของวงจรปฐมภูมิ โดยตัวยกแสดงถึงอิมพีแดนซ์ที่อ้างอิงถึงวงจรปฐมภูมิ${\displaystyle Z_{\text{L}}}$${\displaystyle Z'_{\text{L}}}$${\displaystyle '}$

หม้อแปลงในอุดมคติเป็นแบบเชิงเส้นไม่มีการสูญเสีย และมีการเชื่อมต่อ ที่สมบูรณ์แบบ การเชื่อมต่อที่สมบูรณ์แบบหมายถึง ค่าการซึมผ่านของแม่เหล็ก แกน และค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดที่สูงมาก และ แรงเคลื่อนแม่เหล็ก สุทธิเป็น ศูนย์(กล่าวคือi _p n _p  −  i _s n _s  = 0) ^{[ 4 ] [ c ]}

กระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงในแกนหม้อแปลง ซึ่งถูกล้อมรอบด้วยขดลวดทุติยภูมิด้วย ฟลักซ์ที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดทุติยภูมินี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า ที่เปลี่ยนแปลง ในขดลวดทุติยภูมิ ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้านี้เป็นพื้นฐานของการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า และตามกฎของเลนซ์กระแสไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิที่เกิดขึ้นจะสร้างฟลักซ์ที่เท่ากันและทิศทางตรงกันข้ามกับฟลักซ์ที่เกิดจากขดลวดปฐมภูมิ

ขดลวดถูกพันรอบแกนที่มีค่าสภาพซึมผ่านของแม่เหล็กสูงมากจนสนามแม่เหล็กทั้งหมดผ่านทั้งขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ เมื่อต่อแหล่งจ่ายแรงดันเข้ากับขดลวดปฐมภูมิและต่อโหลดเข้ากับขดลวดทุติยภูมิ กระแสไฟฟ้าในหม้อแปลงจะไหลไปในทิศทางที่ระบุ และแรงเคลื่อนแม่เหล็กของแกนจะหักล้างกันจนเป็นศูนย์

ตามกฎของฟาราเดย์เนื่องจากฟลักซ์แม่เหล็กเดียวกันผ่านทั้งขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิในหม้อแปลงในอุดมคติ จึงเกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในแต่ละขดลวดตามสัดส่วนของจำนวนรอบ อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าของขดลวดหม้อแปลงเท่ากับอัตราส่วนจำนวนรอบของขดลวด^{[ 7 ]}

หม้อแปลงในอุดมคติเป็นค่าประมาณที่เหมาะสมสำหรับหม้อแปลงเชิงพาณิชย์ทั่วไป โดยที่อัตราส่วนแรงดันและอัตราส่วนจำนวนรอบขดลวดจะแปรผกผันกับอัตราส่วนกระแสที่สอดคล้องกัน

อิมพีแดนซ์โหลดที่อ้างอิงถึงวงจรหลักเท่ากับอัตราส่วนจำนวนรอบยกกำลังสองคูณด้วยอิมพีแดนซ์โหลดของวงจรรอง^{[ 8 ]}

แบบจำลองหม้อแปลงในอุดมคติละเลยแง่มุมเชิงเส้นพื้นฐานหลายประการของหม้อแปลงจริง ซึ่งรวมถึงการสูญเสียและประสิทธิภาพที่หลีกเลี่ยงไม่ได้^{[ 9 ]}

(ก) การสูญเสียแกนกลาง ซึ่งเรียกรวมกันว่าการสูญเสียกระแสแม่เหล็ก ประกอบด้วย^{[ 10 ]}

• การสูญเสีย ฮิสเทรีซิสอันเนื่องมาจากผลกระทบทางแม่เหล็กที่ไม่เป็นเชิงเส้นในแกนหม้อแปลง และ
• การสูญเสีย จากกระแสไหลวนเนื่องจากความร้อนจูลในแกนกลางนั้นแปรผันตรงกับกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับหม้อแปลง

(b) ต่างจากแบบจำลองในอุดมคติ ขดลวดในหม้อแปลงไฟฟ้าจริงมีค่าความต้านทานและค่าเหนี่ยวนำที่ไม่เป็นศูนย์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับ:

• การสูญเสียจูลเนื่องจากความต้านทานในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ^{[ 10 ]}
• ฟลักซ์รั่วไหลที่หลุดออกจากแกนและไหลผ่านขดลวดเพียงขดเดียว ส่งผลให้เกิดอิมพีแดนซ์รีแอคทีฟทั้งด้านปฐมภูมิและทุติยภูมิ

(c) คล้ายกับตัวเหนี่ยวนำความจุปรสิตและปรากฏการณ์การสั่นพ้องในตัวเองเนื่องจากการกระจายสนามไฟฟ้า โดยทั่วไปจะพิจารณาความจุปรสิตสามชนิดและมีสมการวงปิดให้^{[ 11 ]}

• ค่าความจุระหว่างขดลวดที่อยู่ติดกันในแต่ละชั้น
• ค่าความจุระหว่างชั้นที่อยู่ติดกัน;
• ค่าความจุระหว่างแกนกลางและชั้นที่อยู่ติดกับแกนกลาง;

การรวมค่าความจุไฟฟ้าเข้าไปในแบบจำลองหม้อแปลงไฟฟ้านั้นซับซ้อน และไม่ค่อยมีการนำมาใช้วงจรสมมูลของแบบจำลองหม้อแปลงไฟฟ้า "จริง" ที่แสดงด้านล่างนี้ไม่ได้รวมค่าความจุไฟฟ้าแฝงไว้ อย่างไรก็ตาม สามารถวัดผลของค่าความจุไฟฟ้าได้โดยการเปรียบเทียบค่าความเหนี่ยวนำเมื่อวงจรเปิด กล่าวคือ ค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดปฐมภูมิเมื่อวงจรทุติยภูมิเปิดอยู่ กับค่าความเหนี่ยวนำเมื่อวงจรลัดวงจรเมื่อขดลวดทุติยภูมิลัดวงจร

แบบจำลองหม้อแปลงในอุดมคติถือว่าฟลักซ์ทั้งหมดที่สร้างขึ้นโดยขดลวดปฐมภูมิจะเชื่อมโยงรอบทั้งหมดของขดลวดทุกขด รวมถึงตัวมันเองด้วย ในทางปฏิบัติ ฟลักซ์บางส่วนจะเคลื่อนที่ผ่านเส้นทางที่นำมันออกไปนอกขดลวด^{[ 12 ]}ฟลักซ์ดังกล่าวเรียกว่าฟลักซ์รั่ว ไหล และส่งผลให้เกิดความเหนี่ยวนำรั่วไหลแบบอนุกรมกับขดลวดหม้อแปลงที่เชื่อมต่อกัน^{[ 13 ]}ฟลักซ์รั่วไหลส่งผลให้พลังงานถูกเก็บและปล่อยออกจากสนามแม่เหล็กสลับกันไปในแต่ละรอบของการจ่ายพลังงาน มันไม่ได้ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานโดยตรง แต่ส่งผลให้การควบคุมแรงดันไฟฟ้า ด้อยลง ทำให้แรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิไม่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้ภาระหนัก^{[ 12 ]}ดังนั้นโดยปกติแล้วหม้อแปลงจึงได้รับการออกแบบให้มีความเหนี่ยวนำรั่วไหลต่ำมาก

ในการใช้งานบางอย่าง การรั่วไหลที่เพิ่มขึ้นเป็นสิ่งที่ต้องการ และอาจมีการนำเส้นทางแม่เหล็กยาว ช่องว่างอากาศ หรือตัวแบ่งทางแม่เหล็กมาใช้ในการออกแบบหม้อแปลงโดยเจตนา เพื่อจำกัด กระแส ลัดวงจรที่จะจ่าย^{[ 13 ]}หม้อแปลงที่มีการรั่วไหลอาจใช้เพื่อจ่ายโหลดที่มีความต้านทานเชิงลบเช่น อา ร์คไฟฟ้าหลอดไฟไอปรอทและโซเดียม และ ป้ายนีออนหรือเพื่อจัดการโหลดที่เกิดการลัดวงจรเป็นระยะๆ อย่างปลอดภัย เช่นเครื่องเชื่อมไฟฟ้า^{[ 10 ] : 485}

ช่องว่างอากาศยังใช้เพื่อป้องกันไม่ให้หม้อแปลงอิ่มตัว โดยเฉพาะหม้อแปลงความถี่เสียงในวงจรที่มีส่วนประกอบ DC ไหลผ่านขดลวด^{[ 14 ]}ตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัวใช้ประโยชน์จากการอิ่มตัวของแกนเพื่อควบคุมกระแสสลับ

ความรู้เกี่ยวกับค่าเหนี่ยวนำรั่วไหลยังมีประโยชน์เมื่อใช้งานหม้อแปลงแบบขนาน สามารถแสดงได้ว่าหากค่าอิมพีแดนซ์ร้อยละ^{[ e ]}และอัตราส่วนรีแอกแทนซ์รั่วไหลของขดลวดต่อความต้านทาน ( X / R ) ของหม้อแปลงสองตัวเท่ากัน หม้อแปลงจะแบ่งกำลังโหลดตามสัดส่วนของพิกัดของแต่ละตัว อย่างไรก็ตาม ค่าความคลาดเคลื่อนของอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงเชิงพาณิชย์นั้นมีค่ามาก นอกจากนี้ ค่าอิมพีแดนซ์และอัตราส่วน X/R ของหม้อแปลงที่มีความจุต่างกันมักจะแปรผัน^{[ 16 ]}

เมื่อพิจารณาจากแผนภาพ พฤติกรรมทางกายภาพของหม้อแปลงไฟฟ้าในทางปฏิบัติอาจแสดงได้ด้วย แบบจำลอง วงจรสมมูลซึ่งสามารถรวมหม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติได้^{[ 17 ]}

การสูญเสียจูลในขดลวดและรีแอกแทนซ์การรั่วไหลแสดงโดยอิมพีแดนซ์วงจรอนุกรมต่อไปนี้ของแบบจำลอง:

• ขดลวดปฐมภูมิ: R _P , X _P
• ขดลวดทุติยภูมิ: R _S , X _S .

ในการแปลงสมมูลวงจรตามปกติR S _และ X S _ในทางปฏิบัติมักจะอ้างอิงถึงด้านปฐมภูมิโดยการคูณอิมพีแดนซ์เหล่านี้ด้วยอัตราส่วนจำนวนรอบยกกำลังสอง ( N _P / N _S )  ²  = a ²

การสูญเสียแกนและค่ารีแอกแทนซ์แสดงโดยค่าอิมพีแดนซ์ขาขนานของแบบจำลองดังต่อไปนี้:

• การสูญเสียแกนหรือเหล็ก: R _C
• ค่าความต้านทานแม่เหล็ก: X _M .

R _CและX _Mรวมกันเรียกว่าสาขาแม่เหล็กของแบบจำลอง

การสูญเสียแกนส่วนใหญ่เกิดจากผลของฮิสเทอรีซิสและกระแสไหลวนในแกน และเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของฟลักซ์แกนสำหรับการทำงานที่ความถี่ที่กำหนด^{[ 10 ] : 142–143} แกนที่มีค่าการซึมผ่านจำกัดต้องการกระแสแม่เหล็กI _Mเพื่อรักษาฟลักซ์ร่วมในแกน กระแสแม่เหล็กอยู่ในเฟสเดียวกับฟลักซ์ ความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสองไม่เป็นเชิงเส้นเนื่องจาก ผล ของการอิ่มตัวอย่างไรก็ตาม อิมพีแดนซ์ทั้งหมดของวงจรสมมูลที่แสดงนั้นเป็นเชิงเส้นตามคำจำกัดความ และโดยทั่วไปแล้วผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นดังกล่าวจะไม่สะท้อนในวงจรสมมูลของหม้อแปลง^{[ 10 ] : 142} เมื่อ จ่ายไฟ แบบไซน์ ฟลักซ์แกนจะล้าหลัง EMF ที่เหนี่ยวนำ 90° เมื่อขดลวดทุติยภูมิเปิดวงจร กระแสสาขาแม่เหล็กI ₀จะเท่ากับกระแสไม่มีโหลดของหม้อแปลง^{[ 17 ]}

แบบจำลองที่ได้ แม้บางครั้งจะเรียกว่าวงจรสมมูล 'ที่แม่นยำ' โดยอาศัย สมมติฐาน เชิงเส้นแต่ก็ยังคงรักษาการประมาณค่าไว้จำนวนหนึ่ง^{[ 17 ]}การวิเคราะห์อาจง่ายขึ้นได้โดยการสมมติว่าอิมพีแดนซ์ของสาขาแม่เหล็กค่อนข้างสูงและย้ายสาขาไปทางซ้ายของอิมพีแดนซ์หลัก ซึ่งจะทำให้เกิดข้อผิดพลาด แต่ช่วยให้สามารถรวมความต้านทานและรีแอกแทนซ์ของสาขาหลักและสาขารองที่อ้างอิงเข้าด้วยกันได้โดยการบวกอย่างง่ายเป็นอิมพีแดนซ์อนุกรมสองตัว

ค่าอิมพีแดนซ์วงจรสมมูลของหม้อแปลงและพารามิเตอร์อัตราส่วนของหม้อแปลงสามารถหาได้จากการทดสอบต่อไปนี้: การทดสอบวงจรเปิด , การทดสอบวงจรลัด , การทดสอบความต้านทานขดลวด และการทดสอบอัตราส่วนของหม้อแปลง

ถ้าฟลักซ์ในแกนเป็นแบบไซน์ บริสุทธิ์ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันrms E _rmsของขดลวดกับความถี่ของแหล่งจ่ายไฟfจำนวนรอบNพื้นที่หน้าตัดของแกนAใน^m²และความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุดB _peakใน Wb/m² ^หรือ T (เทสลา) จะแสดงด้วยสมการ EMF สากล: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNAB_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNAB_{\text{peak}}}$

โดยทั่วไปแล้ว มักใช้ สัญลักษณ์จุดในแผนภาพวงจรหม้อแปลงไฟฟ้า ป้ายชื่อ หรือเครื่องหมายที่ขั้วต่อ เพื่อกำหนดขั้วสัมพัทธ์ของขดลวดหม้อแปลง กระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นทันทีที่ไหลเข้าปลายด้าน "จุด" ของขดลวดปฐมภูมิ จะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่มีขั้วบวกไหลออกจากปลายด้าน "จุด" ของขดลวดทุติยภูมิ หม้อแปลงไฟฟ้าสามเฟสที่ใช้ในระบบไฟฟ้าจะมีป้ายชื่อที่ระบุความสัมพันธ์ของเฟสระหว่างขั้วต่อ อาจอยู่ในรูปของ แผนภาพ เฟเซอร์หรือใช้รหัสตัวอักษรและตัวเลขเพื่อแสดงประเภทของการเชื่อมต่อภายใน (วายหรือเดลต้า) สำหรับแต่ละขดลวด

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำของหม้อแปลงที่ฟลักซ์ที่กำหนดจะเพิ่มขึ้นตามความถี่^{[ 10 ]}การทำงานที่ความถี่สูงขึ้นทำให้หม้อแปลงมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น เนื่องจากแกนที่กำหนดสามารถถ่ายโอนพลังงานได้มากขึ้นโดยไม่ถึงจุดอิ่มตัว และต้องใช้จำนวนรอบน้อยลงเพื่อให้ได้อิมพีแดนซ์เท่าเดิม อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเช่นการสูญเสียแกนและผลกระทบของผิว ตัวนำ ก็จะเพิ่มขึ้นตามความถี่เช่นกัน เครื่องบินและอุปกรณ์ทางทหารใช้แหล่งจ่ายไฟ 400 เฮิรตซ์ ซึ่งช่วยลดน้ำหนักของแกนและขดลวด^{[ 18 ]}ในทางกลับกัน ความถี่ที่ใช้สำหรับระบบไฟฟ้าของรถไฟ บางระบบนั้น ต่ำกว่ามาก (เช่น 16.7 เฮิรตซ์ และ 25 เฮิรตซ์) กว่าความถี่ไฟฟ้าปกติ (50–60 เฮิรตซ์) ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับข้อจำกัดของมอเตอร์ไฟฟ้า ในยุคแรกเป็นหลัก ดังนั้น หม้อแปลงที่ใช้ในการลดแรงดันไฟฟ้าสูงจากสายส่งเหนือศีรษะจึงมีขนาดใหญ่และหนักกว่ามากสำหรับกำลังไฟฟ้าเท่ากันเมื่อเทียบกับหม้อแปลงที่จำเป็นสำหรับความถี่ที่สูงกว่า

การใช้งานหม้อแปลงไฟฟ้าที่แรงดันไฟฟ้าตามที่ออกแบบไว้ แต่ที่ความถี่สูงกว่าที่ตั้งใจไว้ จะทำให้กระแสแม่เหล็กลดลง ในทางกลับกัน ที่ความถี่ต่ำกว่า กระแสแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้น การใช้งานหม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ความถี่อื่นนอกเหนือจากความถี่ที่ออกแบบไว้ อาจต้องมีการประเมินแรงดันไฟฟ้า การสูญเสีย และระบบระบายความร้อน เพื่อตรวจสอบว่าสามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยหรือไม่ หม้อแปลงไฟฟ้าอาจต้องใช้รีเลย์ป้องกันเพื่อป้องกันหม้อแปลงจากแรงดันไฟฟ้าเกินที่ความถี่สูงกว่าความถี่ที่กำหนด

ตัวอย่างหนึ่งคือหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับรถไฟความเร็วสูงและรถไฟโดยสารไฟฟ้าที่วิ่งข้ามภูมิภาคที่มีมาตรฐานไฟฟ้าแตกต่างกัน อุปกรณ์แปลงกระแสไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้าต้องรองรับความถี่และแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่แตกต่างกัน (ตั้งแต่ 50 เฮิรตซ์ลงมาถึง 16.7 เฮิรตซ์ และมีพิกัดสูงสุดถึง 25 กิโลโวลต์)

ที่ความถี่สูงขึ้นมาก ขนาดแกนหม้อแปลงที่ต้องการจะลดลงอย่างมาก: หม้อแปลงขนาดเล็กสามารถรองรับระดับกำลังไฟฟ้าที่ต้องใช้แกนเหล็กขนาดใหญ่ที่ความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับได้ การพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังแบบสวิตชิ่งทำให้แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งโหมด (SMPS) สามารถใช้งานได้จริง เพื่อสร้างความถี่สูง จากนั้นเปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้าด้วยหม้อแปลงขนาดเล็ก

หม้อแปลงสำหรับงานความถี่สูง เช่น SMPS มักใช้แกนวัสดุที่มีการสูญเสียฮิสเทอรีซิสและกระแสไหลวนต่ำกว่าหม้อแปลงสำหรับงาน 50/60 เฮิรตซ์ ตัวอย่างหลักคือแกนเหล็กผงและแกนเฟอร์ไรต์ การสูญเสียที่ขึ้นอยู่กับความถี่ที่ต่ำกว่าของแกนเหล่านี้มักแลกมาด้วยความหนาแน่นของฟลักซ์ที่จุดอิ่มตัวที่ลดลง ตัวอย่างเช่น การอิ่มตัว ของเฟอร์ไรต์เกิดขึ้นที่ความหนาแน่นของฟลักซ์ต่ำกว่าเหล็กแผ่นลามิเนตอย่างมาก

หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่มีความเสี่ยงต่อความเสียหายของฉนวนเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่มีส่วนประกอบความถี่สูง เช่น แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการสลับวงจรหรือฟ้าผ่า

การสูญเสียพลังงานของหม้อแปลงส่วนใหญ่เกิดจากการสูญเสียในขดลวดและแกน หม้อแปลงมีประสิทธิภาพดีขึ้นเมื่อความจุของหม้อแปลงเพิ่มขึ้น^{[ 19 ]}ประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 98 ถึง 99 เปอร์เซ็นต์^{[ 19 ] [ 20 ]}

เนื่องจากการสูญเสียของหม้อแปลงไฟฟ้าจะแปรผันตามโหลด จึงมักเป็นประโยชน์ที่จะจัดทำตารางแสดงการสูญเสียขณะไม่มีโหลด การสูญเสียขณะโหลดเต็มที่ การสูญเสียขณะโหลดครึ่งหนึ่ง และอื่นๆ การสูญเสียจากฮิสเทอรีซิสและกระแสไหลวนจะคงที่ในทุกระดับโหลดและมีอิทธิพลเหนือกว่าเมื่อไม่มีโหลด ในขณะที่การสูญเสียจากขดลวดจะเพิ่มขึ้นเมื่อโหลดเพิ่มขึ้น การสูญเสียขณะไม่มีโหลดอาจมีนัยสำคัญ ดังนั้นแม้แต่หม้อแปลงที่ไม่ได้ใช้งานก็ยังทำให้แหล่งจ่ายไฟฟ้าสูญเสียพลังงาน การออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าที่ประหยัดพลังงานเพื่อลดการสูญเสียต้องใช้แกนที่ใหญ่ขึ้นเหล็กซิลิคอน คุณภาพดี หรือแม้แต่เหล็กอะมอร์ฟัสสำหรับแกนและลวดที่หนาขึ้น ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนเริ่มต้น การเลือกโครงสร้างแสดงถึงการแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุนเริ่มต้นและต้นทุนการดำเนินงาน^{[ 21 ]}

การสูญเสียพลังงานในหม้อแปลงเกิดจากสาเหตุดังต่อไปนี้:

การสูญเสียจูลจากการพันขดลวด

กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำของขดลวดทำให้เกิดความร้อนจูลเนื่องจากความต้านทานของลวด เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์และพร็อกซิมิตี้เอฟเฟกต์จะทำให้ความต้านทานของขดลวดและส่งผลให้การสูญเสียเพิ่มขึ้น

การขาดทุนหลัก

การสูญเสียฮิสเทอรีซิส

ทุกครั้งที่สนามแม่เหล็กกลับทิศทาง พลังงานจำนวนเล็กน้อยจะสูญเสียไปเนื่องจากปรากฏการณ์ฮิสเทรีซิสภายในแกนกลาง ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของโดเมนแม่เหล็กภายในเหล็ก ตามสูตรของสไตน์เมทซ์ พลังงานความร้อนเนื่องจากฮิสเทรีซิสมีค่าดังนี้

${\displaystyle W_{\text{h}}\approx \eta \beta _{\text{max}}^{1.6}}$และ,

ดังนั้น การสูญเสียฮิสเทอรีซิสจึงกำหนดโดย

${\displaystyle P_{\text{h}}\approx {W}_{\text{h}}f\approx \eta {f}\beta _{\text{max}}^{1.6}}$

โดยที่fคือความถี่ηคือสัมประสิทธิ์ฮิสเทอรีซิส และβ _maxคือความหนาแน่นฟลักซ์สูงสุด ซึ่งเลขชี้กำลังเชิงประจักษ์จะแตกต่างกันไปตั้งแต่ประมาณ 1.4 ถึง 1.8 แต่โดยทั่วไปจะกำหนดให้เป็น 1.6 สำหรับเหล็ก^{[ 21 ]}สำหรับการวิเคราะห์โดยละเอียดเพิ่มเติม โปรดดูที่แกนแม่เหล็กและสมการของ Steinmetz

การสูญเสียกระแสไหลวน

กระแสไหลวนถูกเหนี่ยวนำในแกนหม้อแปลงโลหะตัวนำโดยสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง และกระแสนี้ไหลผ่านความต้านทานของเหล็กและกระจายพลังงานเป็นความร้อนในแกน การสูญเสียจากกระแสไหลวนเป็นฟังก์ชันที่ซับซ้อนของกำลังสองของความถี่ของแหล่งจ่ายและกำลังสองผกผันของความหนาของวัสดุ^{[ 21 ]}การสูญเสียจากกระแสไหลวนสามารถลดลงได้โดยการทำให้แกนของแผ่นลามิเนต (แผ่นบาง) เรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ ที่มีฉนวนไฟฟ้าแยกจากกัน แทนที่จะเป็นบล็อกแข็ง หม้อแปลงไฟฟ้าทั้งหมดที่ทำงานที่ความถี่ต่ำจะใช้แกนลามิเนตหรือแกนที่คล้ายกัน

เสียงฮัมของหม้อแปลงไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์แมกนีโตสตริกชัน

ฟลักซ์แม่เหล็กในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก เช่น แกนกลาง ทำให้เกิดการขยายตัวและหดตัวเล็กน้อยในแต่ละรอบของสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าแมก นีโตสตริกชัน พลังงานเสียดทานของปรากฏการณ์นี้ทำให้เกิดเสียงที่ได้ยินที่เรียกว่าเสียงฮัมไฟหลักหรือ "เสียงฮัมหม้อแปลง" ^{[ 22 ]}เสียงฮัมหม้อแปลงนี้เป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์อย่างยิ่งในหม้อแปลงที่จ่ายไฟที่ความถี่กำลังไฟฟ้าและในหม้อแปลงฟลายแบ็กความถี่สูง ที่เกี่ยวข้องกับ จอ CRTของโทรทัศน์

การสูญเสียที่หลงทาง

ความเหนี่ยวนำรั่วไหลโดยตัวมันเองแทบจะไม่มีการสูญเสียเลย เนื่องจากพลังงานที่ส่งไปยังสนามแม่เหล็กจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งจ่ายในครึ่งรอบถัดไป อย่างไรก็ตาม ฟลักซ์รั่วไหลใดๆ ที่ตัดกับวัสดุตัวนำที่อยู่ใกล้เคียง เช่น โครงสร้างรองรับของหม้อแปลง จะทำให้เกิดกระแสไหลวนและถูกแปลงเป็นความร้อน^{[ 23 ]}

รังสี

นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียจากการแผ่รังสีเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่สั่น แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีขนาดเล็ก

การส่งผ่านการสั่นสะเทือนเชิงกลและเสียงรบกวน

นอกจากปรากฏการณ์แมกนีโตสตริกชันแล้ว สนามแม่เหล็กสลับยังก่อให้เกิดแรงผันผวนระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ พลังงานนี้กระตุ้นให้เกิดการส่งผ่านการสั่นสะเทือนในงานโลหะที่เชื่อมต่อกัน จึงทำให้เสียงหึ่งของหม้อแปลงไฟฟ้าดังขึ้น^{[ 24 ]}

หม้อแปลงแกนปิดถูกสร้างขึ้นในรูปแบบ 'แกน' หรือ 'เปลือก' เมื่อขดลวดล้อมรอบแกน หม้อแปลงจะเป็นแบบแกน เมื่อขดลวดถูกล้อมรอบด้วยแกน หม้อแปลงจะเป็นแบบเปลือก^{[ 25 ]}การออกแบบแบบเปลือกอาจแพร่หลายมากกว่าการออกแบบแบบแกนสำหรับการใช้งานหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายเนื่องจากความง่ายในการวางซ้อนแกนรอบขดลวด^{[ 25 ]}โดยทั่วไปแล้ว การออกแบบแบบแกนมีแนวโน้มที่จะประหยัดกว่า และแพร่หลายมากกว่าการออกแบบแบบเปลือก สำหรับการใช้งานหม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูงที่ช่วงแรงดันและกำลังไฟฟ้าต่ำ (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 230 kV หรือ 75 MVA โดยประมาณ) ที่แรงดันและกำลังไฟฟ้าสูงกว่า หม้อแปลงแบบเปลือกมีแนวโน้มที่จะแพร่หลายมากกว่า^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}การออกแบบรูปทรงเปลือกมักเป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานแรงดันสูงพิเศษและ MVA สูง เนื่องจากถึงแม้จะต้องใช้แรงงานในการผลิตมากกว่า แต่หม้อแปลงรูปทรงเปลือกมีลักษณะเด่นคือมีอัตราส่วน kVA ต่อน้ำหนักที่ดีกว่า มีคุณลักษณะความแข็งแรงต่อการลัดวงจรที่ดีกว่า และมีภูมิคุ้มกันต่อความเสียหายระหว่างการขนส่งสูงกว่า^{[ 27 ]}

หม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับใช้ในความถี่ไฟฟ้าหรือความถี่เสียงโดยทั่วไปจะมีแกนที่ทำจากเหล็กซิลิคอนที่ มีค่าการซึมผ่านสูง ^{[ 28 ]}เหล็กชนิดนี้มีค่าการซึมผ่านสูงกว่าพื้นที่ว่าง หลายเท่า ดังนั้นแกนจึงช่วยลดกระแสแม่เหล็กและจำกัดฟลักซ์ให้อยู่ในเส้นทางที่เชื่อมต่อขดลวดอย่างใกล้ชิด^{[ 29 ]}นักพัฒนาหม้อแปลงไฟฟ้าในยุคแรกๆ ตระหนักได้อย่างรวดเร็วว่าแกนที่สร้างจากเหล็กตันส่งผลให้เกิดการสูญเสียกระแสไหลวนมากเกินไป และการออกแบบของพวกเขาจึงลดผลกระทบนี้ลงด้วยแกนที่ประกอบด้วยมัดลวดเหล็กหุ้มฉนวน^{[ 30 ]}การออกแบบในภายหลังสร้างแกนโดยการซ้อนแผ่นเหล็กบางๆ หลายชั้น ซึ่งเป็นหลักการที่ยังคงใช้กันอยู่ แต่ละแผ่นเหล็กจะถูกหุ้มฉนวนจากแผ่นข้างเคียงด้วยชั้นฉนวนที่ไม่นำไฟฟ้าบางๆ^{[ 31 ]}สมการ EMF สากลของหม้อแปลงไฟฟ้าสามารถใช้ในการคำนวณพื้นที่หน้าตัดของแกนสำหรับระดับฟลักซ์แม่เหล็กที่ต้องการได้^{[ 10 ]}

ผลของการเคลือบคือการจำกัดกระแสไหลวนให้อยู่ในเส้นทางวงรีสูงที่ล้อมรอบฟลักซ์เพียงเล็กน้อย จึงช่วยลดขนาดของกระแสไหลวนได้ การเคลือบที่บางกว่าจะช่วยลดการสูญเสีย^{[ 28 ]}แต่ต้องใช้แรงงานและมีราคาแพงกว่าในการสร้าง^{[ 32 ]}โดยทั่วไปแล้วจะใช้การเคลือบแบบบางกับหม้อแปลงความถี่สูง โดยการเคลือบเหล็กบางมากบางชนิดสามารถทำงานได้ถึง 10 kHz

การออกแบบแกนลามิเนตแบบทั่วไปอย่างหนึ่งทำจากแผ่นเหล็กรูปตัว E ที่ซ้อนกันสลับกันโดยมีชิ้น ส่วนรูปตัว I ปิดทับอยู่ด้านบน ทำให้ได้ชื่อว่าหม้อแปลงEI ^{[ 32 ]}การออกแบบเช่นนี้มักมีการสูญเสียมากกว่า แต่ประหยัดต้นทุนในการผลิตมาก ส่วนแบบแกนตัดหรือแบบแกน C นั้นทำโดยการพันแถบเหล็กไว้รอบรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าแล้วเชื่อมชั้นต่างๆ เข้าด้วยกัน จากนั้นจึงตัดออกเป็นสองส่วน ทำให้เกิดรูปตัว C สองอัน และประกอบแกนโดยการเชื่อมครึ่งตัว C ทั้งสองเข้าด้วยกันด้วยสายรัดเหล็ก^{[ 32 ]}ข้อดีของแบบแกนตัดคือฟลักซ์จะวางตัวขนานกับเกรนโลหะเสมอ ซึ่งช่วยลดความต้านทานแม่เหล็ก

การคงสภาพของแกนเหล็กหมายความว่ามันจะรักษาสนามแม่เหล็กสถิตไว้เมื่อตัดกระแสไฟฟ้า เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าอีกครั้ง สนามแม่เหล็กที่เหลืออยู่จะทำให้เกิดกระแสไฟกระชาก สูง จนกว่าผลของสนามแม่เหล็กที่เหลืออยู่จะลดลง ซึ่งโดยปกติจะเกิดขึ้นหลังจากคลื่นกระแสสลับที่จ่ายเข้ามาไม่กี่รอบ^{[ 33 ]} ต้องเลือก อุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน เช่นฟิวส์เพื่อให้กระแสไฟกระชากที่ไม่เป็นอันตรายนี้ผ่านไปได้

ในหม้อแปลงที่เชื่อมต่อกับสายส่งไฟฟ้าแรงสูงเหนือศีรษะ กระแสเหนี่ยวนำเนื่องจากการรบกวนทางแม่เหล็กโลกในช่วงพายุสุริยะอาจทำให้แกนอิ่มตัวและการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันหม้อแปลง^{[ 34 ]}

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบกระจายสามารถลดการสูญเสียขณะไม่มีโหลดได้โดยใช้แกนที่ทำจากเหล็กซิลิคอนที่มีการสูญเสียต่ำและมีค่าการซึมผ่านสูง หรือโลหะผสมอสัณฐาน (ไม่เป็นผลึก)ต้นทุนเริ่มต้นที่สูงขึ้นของวัสดุแกนจะถูกชดเชยตลอดอายุการใช้งานของหม้อแปลงด้วยการสูญเสียที่ต่ำกว่าขณะมีโหลดเบา^{[ 35 ]}

แกนเหล็กผงใช้ในวงจรต่างๆ เช่น แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดที่ทำงานเหนือความถี่กระแสหลักและสูงถึงไม่กี่สิบกิโลเฮิร์ตซ์ วัสดุเหล่านี้รวมคุณสมบัติการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงเข้ากับความต้านทาน ไฟฟ้าสูง สำหรับความถี่ที่ขยายออกไปนอกเหนือย่านความถี่ VHF แกนที่ทำจาก วัสดุเซรามิกแม่เหล็กที่ไม่นำไฟฟ้า ที่เรียกว่า เฟอร์ไรต์ นั้น เป็นที่นิยมใช้^{[ 32 ]}หม้อแปลงความถี่วิทยุบางตัวยังมีแกนที่เคลื่อนที่ได้ (บางครั้งเรียกว่า 'สลัก') ซึ่งช่วยให้สามารถปรับค่าสัมประสิทธิ์การเชื่อมต่อ (และแบนด์วิดท์ ) ของวงจรความถี่วิทยุที่ปรับจูนได้

หม้อแปลงแบบวงแหวนสร้างขึ้นโดยใช้แกนรูปวงแหวน ซึ่งขึ้นอยู่กับความถี่ในการทำงาน โดยอาจทำจากเหล็กซิลิคอนหรือเพอร์มัลลอย เป็นแถบยาวที่ พันเป็นขดลวด เหล็กผง หรือเฟอร์ไรต์ [ ^{36 ] โครงสร้าง}แบบแถบช่วยให้มั่นใจได้ว่าขอบเขตของเกรนจะเรียงตัวอย่างเหมาะสม ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของหม้อแปลงโดยการลดความต้านทาน ของแกน รูปทรงวงแหวนปิดช่วยขจัดช่องว่างอากาศที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในการสร้างแกน EI ^{[ 10 ] : 485} หน้าตัดของวงแหวนมักจะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า แต่ก็มีแกนที่มีราคาแพงกว่าซึ่งมีหน้าตัดเป็นวงกลมให้เลือกใช้เช่นกัน ขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิมักจะพันเป็นวงกลมเพื่อครอบคลุมพื้นผิวทั้งหมดของแกน ซึ่งจะช่วยลดความยาวของลวดที่ต้องการและให้การป้องกันเพื่อลดสนามแม่เหล็กของแกนจากการสร้างการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

หม้อแปลงแบบวงแหวนมีประสิทธิภาพมากกว่าหม้อแปลงแบบ EI ชนิดลามิเนตที่ราคาถูกกว่า สำหรับระดับกำลังไฟฟ้าที่ใกล้เคียงกัน ข้อดีอื่นๆ เมื่อเทียบกับหม้อแปลงแบบ EI ได้แก่ ขนาดเล็กกว่า (ประมาณครึ่ง) น้ำหนักเบากว่า (ประมาณครึ่ง) เสียงฮัมจากกลไกน้อยกว่า (ทำให้เหนือกว่าในเครื่องขยายเสียง) สนามแม่เหล็กภายนอกต่ำกว่า (ประมาณหนึ่งในสิบ) การสูญเสียเมื่อไม่มีโหลดต่ำ (ทำให้มีประสิทธิภาพมากกว่าในวงจรสแตนด์บาย) การติดตั้งด้วยน็อตตัวเดียว และรูปทรงให้เลือกมากกว่า ข้อเสียหลักคือราคาสูงกว่าและกำลังไฟฟ้าจำกัด (ดูพารามิเตอร์การจำแนกประเภทด้านล่าง) เนื่องจากไม่มีช่องว่างเหลืออยู่ในเส้นทางแม่เหล็ก หม้อแปลงแบบวงแหวนจึงมักมีกระแสไฟกระชากสูงกว่าเมื่อเทียบกับหม้อแปลงแบบ EI ชนิดลามิเนต

แกนวงแหวนเฟอร์ไรต์ใช้ในความถี่สูง โดยทั่วไปอยู่ระหว่างไม่กี่สิบกิโลเฮิร์ตซ์ถึงหลายร้อยเมกะเฮิร์ตซ์ เพื่อลดการสูญเสีย ขนาดทางกายภาพ และน้ำหนักของส่วนประกอบเหนี่ยวนำ ข้อเสียของการสร้างหม้อแปลงวงแหวนคือต้นทุนแรงงานในการพันขดลวดที่สูงขึ้น เนื่องจากจำเป็นต้องพันขดลวดตลอดความยาวผ่านช่องเปิดของแกนทุกครั้งที่เพิ่มขดลวดหนึ่งรอบ ส่งผลให้หม้อแปลงวงแหวนที่มีพิกัดกำลังมากกว่าไม่กี่กิโลโวลต์แอมป์นั้นไม่เป็นที่นิยม มีหม้อแปลงวงแหวนเพียงไม่กี่ตัวที่มีพิกัดกำลังสูงกว่า 10 กิโลโวลต์แอมป์ และแทบไม่มีเลยที่มีพิกัดกำลังสูงกว่า 25 กิโลโวลต์แอมป์ หม้อแปลงกระจายไฟฟ้าขนาดเล็กอาจได้รับประโยชน์บางอย่างจากแกนวงแหวนโดยการผ่าและบังคับให้เปิดออก จากนั้นใส่แกนที่มีขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ^{[ 37 ]}

หม้อแปลงสามารถผลิตได้โดยการวางขดลวดไว้ใกล้กัน ซึ่งเป็นการจัดเรียงที่เรียกว่าหม้อแปลงแบบ "แกนอากาศ" หม้อแปลงแบบแกนอากาศช่วยขจัดความสูญเสียเนื่องจากฮิสเทอรีซิสในวัสดุแกน^{[ 13 ]}ค่าความเหนี่ยวนำแม่เหล็กจะลดลงอย่างมากเนื่องจากไม่มีแกนแม่เหล็ก ส่งผลให้กระแสแม่เหล็กและการสูญเสียมีขนาดใหญ่หากใช้ที่ความถี่ต่ำ หม้อแปลงแบบแกนอากาศไม่เหมาะสำหรับใช้ในการกระจายพลังงาน^{[ 13 ]}แต่มักใช้ในแอปพลิเคชันความถี่วิทยุ^{[ 38 ]}แกนอากาศยังใช้สำหรับหม้อแปลงแบบเรโซแนนซ์เช่นขดลวดเทสลาซึ่งสามารถลดการสูญเสียได้ค่อนข้างต่ำแม้จะมีค่าความเหนี่ยวนำแม่เหล็กต่ำ

ตัวนำไฟฟ้าที่ใช้สำหรับขดลวดขึ้นอยู่กับการใช้งาน แต่ในทุกกรณี ขดลวดแต่ละรอบจะต้องถูกแยกออกจากกันทางไฟฟ้าเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสไฟฟ้าไหลผ่านทุกรอบ สำหรับหม้อแปลงขนาดเล็กซึ่งมีกระแสไฟฟ้าต่ำและความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างขดลวดที่อยู่ติดกันมีน้อย ขดลวดมักจะพันด้วยลวดแม่เหล็กเคลือบฉนวนหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังขนาดใหญ่อาจพันด้วยตัวนำแถบทองแดงรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่หุ้มฉนวนด้วยกระดาษชุบน้ำมันและบล็อกกระดาษแข็ง^{[ 39 ]}

หม้อแปลงความถี่สูงที่ทำงานในช่วงความถี่หลายสิบถึงหลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์ มักจะมีขดลวดที่ทำจากลวดลิทซ์ แบบถัก เพื่อลด การสูญเสียจากปรากฏการณ์ สกินเอฟเฟกต์และพร็อพซิสเตอร์เอฟเฟกต์^{[ 40 ]}หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังขนาดใหญ่ยังใช้ตัวนำแบบหลายเส้นด้วย เนื่องจากแม้ในความถี่กำลังต่ำ การกระจายกระแสที่ไม่สม่ำเสมอจะเกิดขึ้นในขดลวดกระแสสูง^{[ 39 ]}แต่ละเส้นจะถูกหุ้มฉนวนแยกกัน และเส้นลวดจะถูกจัดเรียงเพื่อให้ในบางจุดของขดลวด หรือตลอดทั้งขดลวด แต่ละส่วนจะครอบครองตำแหน่งสัมพัทธ์ที่แตกต่างกันในตัวนำทั้งหมด การสลับตำแหน่งนี้จะทำให้กระแสที่ไหลในแต่ละเส้นของตัวนำเท่ากันและลดการสูญเสียกระแสไหลวนในขดลวดเอง ตัวนำแบบหลายเส้นยังมีความยืดหยุ่นมากกว่าตัวนำแบบเส้นเดียวที่มีขนาดใกล้เคียงกัน ซึ่งช่วยในการผลิต^{[ 39 ]}

ขดลวดของหม้อแปลงสัญญาณช่วยลดค่าความเหนี่ยวนำรั่วไหลและค่าความจุไฟฟ้าแฝง เพื่อปรับปรุงการตอบสนองความถี่สูง ขดลวดจะถูกแบ่งออกเป็นส่วนๆ และส่วนเหล่านั้นจะถูกสลับกันระหว่างส่วนของขดลวดอื่นๆ

หม้อแปลงความถี่กำลังอาจมีจุดต่อ (tap) อยู่ที่จุดกึ่งกลางของขดลวด โดยปกติจะอยู่ด้านขดลวดที่มีแรงดันสูงกว่า เพื่อใช้ปรับแรงดัน จุดต่อเหล่านี้อาจต่อใหม่ได้ด้วยตนเอง หรืออาจมีสวิตช์แบบแมนนวลหรืออัตโนมัติสำหรับเปลี่ยนจุดต่อ ตัวเปลี่ยนจุดต่ออัตโนมัติขณะใช้งาน (Automatic on-load tap changers)ใช้ในระบบส่งหรือจ่ายไฟฟ้า ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น หม้อแปลง เตาหลอมหรือสำหรับตัวควบคุมแรงดันอัตโนมัติสำหรับโหลดที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลง หม้อแปลงความถี่เสียง ซึ่งใช้สำหรับการกระจายเสียงไปยังลำโพงกระจายเสียงสาธารณะ มีจุดต่อเพื่อให้สามารถปรับอิมพีแดนซ์ไปยังลำโพงแต่ละตัวได้หม้อแปลงแบบมีจุดต่อตรงกลางมักใช้ในวงจรเอาต์พุตของเครื่องขยาย เสียง ในวงจรพุชพูลหม้อแปลงมอดูเลชั่นใน เครื่องส่งสัญญาณ AMก็คล้ายกันมาก

โดยทั่วไปแล้ว อายุการใช้งานของฉนวนไฟฟ้าจะลดลงครึ่งหนึ่งทุกๆอุณหภูมิใช้งาน ที่เพิ่มขึ้นประมาณ 7 ถึง 10 องศาเซลเซียส (ซึ่งเป็นกรณีหนึ่งของการประยุกต์ใช้สมการ Arrhenius ) ^{[ 41 ]}

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบแห้งขนาดเล็กและแบบจุ่มของเหลวมักจะระบายความร้อนด้วยตัวเองโดยการพาความร้อนตามธรรมชาติและการแผ่รังสีความร้อน เมื่อกำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น หม้อแปลงไฟฟ้ามักจะระบายความร้อนด้วยการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ การระบายความร้อนด้วยน้ำมันแบบบังคับ การระบายความร้อนด้วยน้ำ หรือการผสมผสานของสิ่งเหล่านี้^{[ 42 ]}หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่จะบรรจุด้วยน้ำมันหม้อแปลงซึ่งทั้งระบายความร้อนและเป็นฉนวนให้กับขดลวด^{[ 43 ]}น้ำมันหม้อแปลงมักเป็นน้ำมันแร่ ที่ผ่านการกลั่นอย่างดี ซึ่งระบายความร้อนให้กับขดลวดและฉนวนโดยการหมุนเวียนภายในถังหม้อแปลง ระบบน้ำมันแร่และ ฉนวน กระดาษได้รับการศึกษาและใช้งานอย่างกว้างขวางมานานกว่า 100 ปี มีการประมาณการว่า 50% ของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังจะมีอายุการใช้งาน 50 ปี อายุเฉลี่ยของความล้มเหลวของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังอยู่ที่ประมาณ 10 ถึง 15 ปี และประมาณ 30% ของความล้มเหลวของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังเกิดจากความล้มเหลวของฉนวนและการโอเวอร์โหลด^{[ 44 ] [ 45 ]}การทำงานเป็นเวลานานที่อุณหภูมิสูงจะทำให้คุณสมบัติการเป็นฉนวนของฉนวนขดลวดและสารหล่อเย็นไดอิเล็กทริกเสื่อมลง ซึ่งไม่เพียงแต่จะทำให้อายุการใช้งานของหม้อแปลงสั้นลงเท่านั้น แต่ในที่สุดอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของหม้อแปลงอย่างร้ายแรงได้^{[ 41 ]}ด้วยการศึกษาเชิงประจักษ์จำนวนมากเป็นแนวทางการทดสอบน้ำมันหม้อแปลงรวมถึงการวิเคราะห์ก๊าซที่ละลายอยู่จะให้ข้อมูลการบำรุงรักษาที่มีค่า

ข้อบังคับการก่อสร้างในเขตอำนาจศาลหลายแห่งกำหนดให้หม้อแปลงไฟฟ้าแบบบรรจุของเหลวภายในอาคารต้องใช้ของเหลวไดอิเล็กทริกที่ติดไฟยากกว่าน้ำมัน หรือต้องติดตั้งในห้องทนไฟ^{[ 19 ]}หม้อแปลงไฟฟ้าแบบแห้งระบายความร้อนด้วยอากาศอาจประหยัดกว่าหากไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายสำหรับห้องหม้อแปลงไฟฟ้าทนไฟ

ถังของหม้อแปลงไฟฟ้าแบบบรรจุของเหลวมักจะมีหม้อน้ำที่ของเหลวหล่อเย็นไหลเวียนโดยการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือครีบ หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่บางเครื่องใช้พัดลมไฟฟ้าสำหรับการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ ปั๊มสำหรับการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบบังคับ หรือมีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับการระบายความร้อนด้วยน้ำ^{[ 43 ]}หม้อแปลงไฟฟ้าแบบแช่น้ำมันอาจติดตั้งรีเลย์ Buchholzซึ่งขึ้นอยู่กับความรุนแรงของการสะสมของก๊าซเนื่องจากการเกิดประกายไฟภายใน จะใช้เพื่อกระตุ้นสัญญาณเตือนหรือตัดกระแสไฟฟ้าของหม้อแปลง^{[ 33 ]}การติดตั้งหม้อแปลงไฟฟ้าแบบแช่น้ำมันมักจะรวมถึงมาตรการป้องกันอัคคีภัย เช่น ผนัง การกักเก็บน้ำมัน และระบบสปริงเกลอร์ดับเพลิง

โพลีคลอริเนเตดไบฟีนิล (PCBs) มีคุณสมบัติที่เคยเอื้อต่อการนำมาใช้เป็นสารหล่อเย็นไดอิเล็ก ทริก แต่ความกังวลเกี่ยวกับความคงทนในสิ่งแวดล้อมทำให้มีการห้ามใช้กันอย่างแพร่หลาย^{[ 46 ]} ปัจจุบัน อาจใช้น้ำมัน ซิลิโคน ที่ ไม่เป็นพิษและเสถียรหรือไฮโดรคาร์บอนฟลูออริเนตในกรณีที่ค่าใช้จ่ายของของเหลวทนไฟชดเชยค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างเพิ่มเติมสำหรับห้องเก็บหม้อแปลงไฟฟ้า^{[ 19 ] [ 47 ]}อย่างไรก็ตาม อายุการใช้งานที่ยาวนานของหม้อแปลงไฟฟ้าอาจหมายความว่ามีโอกาสสัมผัสสูงแม้หลังจากมีการห้ามใช้แล้ว^{[ 48 ]}

หม้อแปลงบางชนิดมีฉนวนเป็นก๊าซ ขดลวดของหม้อแปลงเหล่านี้ถูกห่อหุ้มไว้ในถังที่มีแรงดันและปิดผนึก และมักจะระบายความร้อนด้วยก๊าซไนโตรเจนหรือ ซัลเฟอร์ เฮกซาฟลูออไรด์^{[ 47 ]}

หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังทดลองในช่วง 500 ถึง 1,000 kVA ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ ขดลวด ตัวนำยิ่งยวดที่ระบายความร้อน ด้วย ไนโตรเจนเหลวหรือฮีเลียมเหลวซึ่งช่วยขจัดการสูญเสียของขดลวดโดยไม่ส่งผลกระทบต่อการสูญเสียของแกน^{[ 49 ] [ 50 ]}

ต้องมีการติดตั้งฉนวนระหว่างขดลวดแต่ละรอบ ระหว่างขดลวดด้วยกัน ระหว่างขดลวดกับแกน และที่ขั้วต่อของขดลวด

ฉนวนระหว่างขดลวดของหม้อแปลงขนาดเล็กอาจเป็นชั้นของวานิชฉนวนบนลวด อาจมีการสอดแผ่นกระดาษหรือฟิล์มโพลีเมอร์ระหว่างชั้นของขดลวด และระหว่างขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ หม้อแปลงอาจถูกเคลือบหรือจุ่มในเรซินโพลีเมอร์เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของขดลวดและป้องกันความชื้นหรือการกัดกร่อน เรซินอาจถูกอัดเข้าไปในฉนวนของขดลวดโดยใช้การผสมผสานระหว่างสุญญากาศและความดันในระหว่างกระบวนการเคลือบ เพื่อกำจัดช่องว่างอากาศทั้งหมดในขดลวด ในที่สุด ขดลวดทั้งหมดอาจถูกวางไว้ในแม่พิมพ์ และหล่อเรซินรอบๆ เป็นบล็อกแข็ง ห่อหุ้มขดลวดไว้^{[ 51 ]}

หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่แบบใช้น้ำมันจะใช้ขดลวดที่ห่อหุ้มด้วยกระดาษฉนวน ซึ่งจะถูกชุบด้วยน้ำมันในระหว่างการประกอบหม้อแปลง หม้อแปลงแบบใช้น้ำมันจะใช้น้ำมันแร่บริสุทธิ์สูงเพื่อเป็นฉนวนและระบายความร้อนให้กับขดลวดและแกน การสร้างหม้อแปลงแบบใช้น้ำมันจำเป็นต้องทำให้ฉนวนที่หุ้มขดลวดแห้งสนิทจากความชื้นที่เหลืออยู่ก่อนที่จะเติมน้ำมัน การทำให้แห้งอาจทำได้โดยการหมุนเวียนอากาศร้อนรอบแกน การหมุนเวียนน้ำมันหม้อแปลงที่ให้ความร้อนจากภายนอก หรือการทำให้แห้งด้วยไอ (VPD) ซึ่งตัวทำละลายที่ระเหยจะถ่ายเทความร้อนโดยการควบแน่นบนขดลวดและแกน สำหรับหม้อแปลงขนาดเล็ก จะใช้การให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยการฉีดกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวด

หม้อแปลงขนาดใหญ่จะมีบูช ฉนวนแรงดันสูง ที่ทำจากโพลีเมอร์หรือพอร์เซเลน บูชขนาดใหญ่อาจมีโครงสร้างที่ซับซ้อน เนื่องจากต้องควบคุมการไล่ระดับสนามไฟฟ้า อย่างระมัดระวัง โดยไม่ทำให้น้ำมันรั่วไหลออกจากหม้อแปลง^{[ 52 ]}

หม้อแปลงไฟฟ้าสามารถจำแนกได้หลายวิธี ดังต่อไปนี้:

• กำลังไฟฟ้า : ตั้งแต่เศษส่วนของโวลต์แอมแปร์ (VA) จนถึงมากกว่าหนึ่งพันเมกะแอมแปร์ (MVA)
• ลักษณะการใช้งานของหม้อแปลงไฟฟ้า : ต่อเนื่อง, ระยะสั้น, ไม่ต่อเนื่อง, เป็นคาบ, แปรผัน
• ช่วงความถี่ : ความถี่ไฟฟ้า , ความถี่เสียงหรือความถี่วิทยุ
• ระดับแรงดันไฟฟ้า : ตั้งแต่ไม่กี่โวลต์จนถึงหลายร้อยกิโลโวลต์
• ประเภทการระบายความร้อน : แบบแห้งหรือแบบจุ่มของเหลว; ระบายความร้อนด้วยตัวเอง, ระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ; ระบายความร้อนด้วยน้ำมันแบบบังคับ, ระบายความร้อนด้วยน้ำ
• การใช้งาน : แหล่งจ่ายไฟ, การจับคู่ความต้านทาน, ตัวรักษาเสถียรภาพแรงดันและกระแสเอาต์พุต, พัลส์ , การแยกวงจร, การกระจายพลังงาน , วงจรเรียงกระแส , เตาหลอมอาร์ค , เอาต์พุตเครื่องขยายเสียง ฯลฯ
• รูปแบบแม่เหล็กพื้นฐาน : แบบแกนกลาง, แบบเปลือก, แบบวงกลมซ้อนกัน, แบบแซนด์วิช
• คำอธิบายหม้อแปลงไฟฟ้าแรงดันคงที่ : เพิ่มแรงดัน, ลดแรงดัน, แยกวงจร
• การกำหนดค่าขดลวดทั่วไป : ตามกลุ่มเวกเตอร์ IECการรวมกันของขดลวดสองขดของการกำหนดเฟสแบบเดลต้า วาย หรือสตาร์ และซิกแซก ; หม้อแปลงอัตโนมัติ , Scott-T
• รูปแบบการพันขดลวดเปลี่ยนเฟสของวงจรเรียงกระแส : 2 ขดลวด, 6 พัลส์; 3 ขดลวด, 12 พัลส์; ..., nขดลวด , [ n  − 1]·6 พัลส์; รูปหลายเหลี่ยม; เป็นต้น
• ค่า K-factor : การวัดว่าหม้อแปลงสามารถทนต่อโหลดฮาร์มอนิกได้ดีเพียงใด ^{[ 53 ]}

การออกแบบทางไฟฟ้าเฉพาะด้านต่างๆ ต้องการ หม้อแปลงไฟฟ้าหลายประเภทแม้ว่าหม้อแปลงไฟฟ้าทุกประเภทจะมีหลักการทำงานพื้นฐานเหมือนกัน แต่ก็มีการปรับแต่งโครงสร้างหรือคุณสมบัติทางไฟฟ้าให้เหมาะสมกับความต้องการในการติดตั้งหรือสภาวะวงจรเฉพาะ

ในการส่งกำลังไฟฟ้าหม้อแปลงไฟฟ้าช่วยให้สามารถส่งกำลังไฟฟ้าที่แรงดันสูง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียเนื่องจากความร้อนของสายไฟ ทำให้สามารถตั้งโรงไฟฟ้าในระยะห่างจากผู้บริโภคไฟฟ้าได้อย่างประหยัด^{[ 54 ]}เกือบทั้งหมดของกำลังไฟฟ้าทั่วโลกได้ผ่านหม้อแปลงไฟฟ้าหลายตัวก่อนที่จะถึงมือผู้บริโภค^{[ 23 ]}

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด หม้อแปลงไฟฟ้าถูกใช้เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าจากสายส่งไฟฟ้าให้เป็นค่าที่เหมาะสมสำหรับความต้องการของวงจร ไม่ว่าจะโดยตรงที่ความถี่ของสายส่งไฟฟ้าหรือผ่านแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด

หม้อแปลงสัญญาณและหม้อแปลงเสียงใช้สำหรับเชื่อมต่อวงจรขยายเสียงและปรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่นไมโครโฟนและเครื่องเล่นแผ่นเสียงให้เข้ากับอินพุตของเครื่องขยายเสียง หม้อแปลงเสียงช่วยให้ วงจร โทรศัพท์สามารถสนทนาสองทาง ได้ โดยใช้สายไฟเพียงคู่เดียว หม้อแปลง บาลันจะแปลงสัญญาณที่อ้างอิงกับกราวด์ให้เป็นสัญญาณที่มีแรงดันสมดุลกับกราวด์เช่น ระหว่างสายเคเบิลภายนอกและวงจรภายใน หม้อแปลงแยกวงจรจะป้องกันการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าเข้าสู่วงจรทุติยภูมิ และใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์และในสถานที่ก่อสร้าง หม้อแปลงเรโซแนนซ์ใช้สำหรับเชื่อมต่อระหว่างวงจรรับวิทยุ หรือในขดลวดเทสลาแรงดันสูง

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นหลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า ถูกค้นพบโดยอิสระโดยไมเคิล ฟาราเดย์ในปี พ.ศ. 2474 และโจเซฟ เฮนรีในปี พ.ศ. 2475 ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}มีเพียงฟาราเดย์เท่านั้นที่ทำการทดลองเพิ่มเติมจนถึงขั้นคิดค้นสมการที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่าง EMF และฟลักซ์แม่เหล็ก ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ :

${\displaystyle |{\mathcal {E}}|=\left|{{\mathrm {d} \Phi _{\text{B}}} \over \mathrm {d} t}\right|,}$

โดยที่ขนาดของ EMF มีหน่วยเป็นโวลต์ และ Φ _Bคือฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านวงจรในหน่วยเวเบอร์^{[ 60 ]}${\displaystyle |{\mathcal {E}}|}$

ฟาราเดย์ทำการทดลองเบื้องต้นเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำระหว่างขดลวด รวมถึงการพันขดลวดคู่หนึ่งรอบวงแหวนเหล็ก จึงได้สร้างหม้อแปลงแกนปิดรูปวงแหวนตัว แรก ^{[ 59 ] [ 61 ]}อย่างไรก็ตาม เขาใช้กระแสไฟฟ้าเป็นพัลส์เพียงครั้งเดียวกับหม้อแปลงของเขา และไม่เคยค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนจำนวนรอบและ EMF ในขดลวด

หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแรกที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายคือขดลวดเหนี่ยวนำซึ่งคิดค้นโดยบาทหลวงนิโคลัส คัลลัน ชาว ไอริช-คาทอลิก แห่งวิทยาลัยเมย์นูธประเทศไอร์แลนด์ ในปี ค.ศ. 1836 ^{[ 59 ]}เขาเป็นหนึ่งในนักวิจัยกลุ่มแรกที่ตระหนักว่ายิ่งขดลวดทุติยภูมิมีจำนวนรอบมากกว่าขดลวดปฐมภูมิมากเท่าใด แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำทุติยภูมิก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ขดลวดเหนี่ยวนำพัฒนามาจากความพยายามของนักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์ในการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ เนื่องจากแบตเตอรี่ผลิตกระแสตรง (DC)แทนที่จะเป็นกระแสสลับ (AC) ขดลวดเหนี่ยวนำจึงอาศัยหน้าสัมผัสไฟฟ้า ที่สั่น ซึ่งจะขัดจังหวะกระแสในขดลวดปฐมภูมิเป็นระยะๆ เพื่อสร้างการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์ที่จำเป็นสำหรับการเหนี่ยวนำ ระหว่างช่วงปี ค.ศ. 1830 ถึง ค.ศ. 1870 ความพยายามในการสร้างขดลวดเหนี่ยวนำที่ดีขึ้น ส่วนใหญ่โดยการลองผิดลองถูก ค่อยๆ เปิดเผยหลักการพื้นฐานของหม้อแปลงไฟฟ้า

ในช่วงทศวรรษ 1870 เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งผลิตกระแสสลับ (AC)ได้เริ่มวางจำหน่าย และพบว่ากระแสสลับสามารถจ่ายพลังงานให้กับขดลวดเหนี่ยวนำได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวตัดวงจร

ในปี พ.ศ. 2419 วิศวกรชาวรัสเซียPavel Yablochkovได้คิดค้นระบบไฟส่องสว่างโดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำ โดยขดลวดปฐมภูมิจะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ AC ส่วนขดลวดทุติยภูมิสามารถเชื่อมต่อกับเทียนไฟฟ้า (หลอดไฟอาร์ค) ที่เขาออกแบบเองได้ ขดลวดที่ Yablochkov ใช้ทำหน้าที่เสมือนหม้อแปลงไฟฟ้า^{[ 62 ]}

ในปี พ.ศ. 2421 โรงงาน Ganzในบูดาเปสต์ ประเทศฮังการี เริ่มผลิตอุปกรณ์สำหรับระบบไฟส่องสว่างด้วยไฟฟ้า และภายในปี พ.ศ. 2426 ได้ติดตั้งระบบมากกว่า 50 ระบบในออสเตรีย-ฮังการี ระบบ AC ของพวกเขาใช้หลอดไฟอาร์คและหลอดไส้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และอุปกรณ์อื่นๆ^{[ 59 ] [ 63 ]}

ในปี พ.ศ. 2425 ลูเซียน กอลาร์ดและจอห์น ดิกสัน กิบบ์สได้นำเสนออุปกรณ์ที่มีแกนเหล็กเปิดแบบแผ่นลามิเนตซึ่งในตอนแรกถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างกว้างขวาง เรียกว่า 'เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทุติยภูมิ' ในลอนดอน จากนั้นจึงขายแนวคิดนี้ให้กับ บริษัท เวสติงเฮาส์ในสหรัฐอเมริกาในปี พ.ศ. 2429 ^{[ 30 ]}พวกเขายังได้นำเสนอสิ่งประดิษฐ์นี้ในเมืองตูริน ประเทศอิตาลี ในปี พ.ศ. 2427 ซึ่งประสบความสำเร็จอย่างมากและถูกนำไปใช้ในระบบไฟส่องสว่าง^{[ 64 ]}อุปกรณ์แกนเปิดของพวกเขาใช้อัตราส่วนคงที่ 1:1 เพื่อจ่ายวงจรอนุกรมสำหรับโหลดใช้งาน (หลอดไฟ) อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟฟ้าของระบบของพวกเขาถูกควบคุมโดยการเลื่อนแกนเหล็กเข้าหรือออก^{[ 65 ]}

ขดลวดเหนี่ยวนำที่มีวงจรแม่เหล็กเปิดนั้นไม่มีประสิทธิภาพในการส่งกำลังไปยังโหลด[ ^{64 ] จนกระทั่ง}ถึงช่วงต้นศตวรรษที่ 20 รูปแบบการส่งกำลังไฟฟ้ากระแสสลับจากแหล่งจ่ายแรงดันสูงไปยังโหลดแรงดันต่ำคือวงจรอนุกรม^{[ 66 ]}หม้อแปลงแกนเปิดที่มีอัตราส่วนใกล้เคียง 1:1 ถูกเชื่อมต่อโดยต่อขดลวดปฐมภูมิแบบอนุกรมเพื่อให้สามารถใช้แรงดันสูงในการส่งกำลังในขณะที่จ่ายแรงดันต่ำให้กับหลอดไฟ ข้อบกพร่องโดยธรรมชาติของวิธีนี้คือการปิดหลอดไฟดวงเดียว (หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ) จะส่งผลกระทบต่อแรงดันที่จ่ายให้กับอุปกรณ์อื่นๆ ทั้งหมดในวงจรเดียวกัน มีการออกแบบหม้อแปลงแบบปรับได้หลายแบบเพื่อชดเชยลักษณะที่เป็นปัญหาของวงจรอนุกรมนี้ รวมถึงแบบที่ใช้การปรับแกนหรือการบายพาสฟลักซ์แม่เหล็กบริเวณส่วนหนึ่งของขดลวด^{[ 64 ]} การออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพและใช้งานได้จริงนั้นปรากฏขึ้นในช่วงทศวรรษ 1880 แต่ภายในหนึ่งทศวรรษ หม้อแปลงไฟฟ้าจะมีบทบาทสำคัญในสงครามกระแสไฟฟ้าและทำให้ระบบจำหน่ายไฟฟ้ากระแสสลับประสบความสำเร็จเหนือระบบจำหน่ายไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ระบบจำหน่ายไฟฟ้ากระแสสลับยังคงครองความเป็นใหญ่มาจนถึงปัจจุบัน^{[ 67 ]}

ในฤดูใบไม้ร่วงปี 1884 Károly Zipernowsky , Ottó BláthyและMiksa Déri (ZBD) วิศวกรชาวฮังการีสามคนที่เกี่ยวข้องกับโรงงาน Ganzได้สรุปว่าอุปกรณ์แกนเปิดนั้นใช้งานไม่ได้จริง เนื่องจากไม่สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้อย่างน่าเชื่อถือ^{[ 63 ]}โรงงาน Ganz ยังได้ส่งมอบหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับประสิทธิภาพสูงชุดแรกของโลกจำนวน 5 ชุดในฤดูใบไม้ร่วงปี 1884 โดยชุดแรกถูกจัดส่งเมื่อวันที่ 16 กันยายน 1884 ^{[ 68 ]}ชุดแรกนี้ผลิตขึ้นตามข้อกำหนดดังต่อไปนี้: 1,400 วัตต์, 40 เฮิรตซ์, 120:72 โวลต์, 11.6:19.4 แอมป์, อัตราส่วน 1.67:1, เฟสเดียว, รูปทรงเปลือก^{[ 68 ]}ในคำขอสิทธิบัตรร่วมกันในปี พ.ศ. 2428 สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าแบบใหม่ (ต่อมาเรียกว่าหม้อแปลง ZBD) พวกเขาได้อธิบายถึงการออกแบบสองแบบที่มีวงจรแม่เหล็กปิด โดยขดลวดทองแดงจะพันรอบแกนวงแหวนลวดเหล็กหรือล้อมรอบด้วยแกนลวดเหล็ก^{[ 64 ]}การออกแบบทั้งสองแบบนี้เป็นการประยุกต์ใช้ครั้งแรกของโครงสร้างหม้อแปลงไฟฟ้าพื้นฐานสองแบบที่ใช้กันทั่วไปจนถึงทุกวันนี้ ซึ่งเรียกว่า "แบบแกน" หรือ "แบบเปลือก" ^{[ 69 ]}

ในการออกแบบทั้งสองแบบ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เชื่อมโยงขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิจะเดินทางเกือบทั้งหมดภายในขอบเขตของแกนเหล็ก โดยไม่มีเส้นทางผ่านอากาศโดยเจตนา (ดูแกนวงแหวนด้านล่าง) หม้อแปลงไฟฟ้าแบบใหม่มีประสิทธิภาพมากกว่าอุปกรณ์ไบโพลาร์แบบแกนเปิดของ Gaulard และ Gibbs ถึง 3.4 เท่า^{[ 70 ]}สิทธิบัตร ZBD ยังรวมถึงนวัตกรรมสำคัญที่เกี่ยวข้องกันอีกสองประการ ได้แก่ ประการหนึ่งเกี่ยวกับการใช้โหลดที่เชื่อมต่อแบบขนานแทนการเชื่อมต่อแบบอนุกรม และอีกประการหนึ่งเกี่ยวกับความสามารถในการมีหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีอัตราส่วนรอบสูง ทำให้แรงดันไฟฟ้าของเครือข่ายจ่ายไฟสูงกว่ามาก (เริ่มต้นที่ 1,400 ถึง 2,000 V) กว่าแรงดันไฟฟ้าของโหลดที่ใช้งาน (100 V เป็นค่าที่ต้องการในตอนแรก) ^{[ 71 ] [ 72 ]}เมื่อนำไปใช้ในระบบจำหน่ายไฟฟ้าที่เชื่อมต่อแบบขนาน หม้อแปลงไฟฟ้าแบบแกนปิดทำให้สามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าสำหรับแสงสว่างในบ้าน ธุรกิจ และพื้นที่สาธารณะได้ในที่สุดทั้งในทางเทคนิคและเศรษฐกิจ Bláthy เสนอให้ใช้แกนปิด Zipernowsky เสนอให้ใช้การเชื่อมต่อแบบขนานและ Déri ได้ทำการทดลอง^{[ 73 ]}ในช่วงต้นปี พ.ศ. 2428 วิศวกรทั้งสามยังได้ขจัดปัญหา การสูญเสีย กระแสไหลวนด้วยการประดิษฐ์การเคลือบแกนแม่เหล็กไฟฟ้า^{[ 74 ]}

หม้อแปลงไฟฟ้าในปัจจุบันได้รับการออกแบบตามหลักการที่วิศวกรทั้งสามคนค้นพบ พวกเขายังทำให้คำว่า 'หม้อแปลงไฟฟ้า' เป็นที่นิยมใช้เรียกอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนแปลง EMF ของกระแสไฟฟ้า^{[ 75 ]}แม้ว่าคำนี้จะถูกใช้มาแล้วตั้งแต่ปี พ.ศ. 2425 ^{[ 76 ] [ 77 ]} ในปี พ.ศ. 2429 วิศวกรของ ZBD ได้ออกแบบ และโรงงาน Ganz ได้จัดหาอุปกรณ์ไฟฟ้าสำหรับ โรงไฟฟ้าแห่งแรกของโลกที่ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับในการจ่ายพลังงานให้กับเครือข่ายไฟฟ้าทั่วไปที่เชื่อมต่อแบบขนาน ซึ่งก็คือโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำโรม-เชอร์ชี^{[ 78 ]}

จากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีไฟฟ้ากระแสสลับในยุโรป^{[ 79 ]}จอร์จ เวสติงเฮาส์ได้ก่อตั้ง บริษัท เวสติงเฮาส์ อิเล็กทริก ในเมืองพิตต์สเบิร์ก รัฐเพนซิลเวเนีย เมื่อวันที่ 8 มกราคม พ.ศ. 2429 ^{[ 80 ]}บริษัทใหม่นี้ได้เข้ามามีบทบาทในการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ทั่วสหรัฐอเมริกาบริษัท Edison Electric Light Companyถือสิทธิ์ในการใช้หม้อแปลง ZBD ในสหรัฐอเมริกา ทำให้เวสติงเฮาส์ต้องดำเนินการออกแบบทางเลือกอื่นบนหลักการเดียวกัน จอร์จ เวสติงเฮาส์ ได้ซื้อสิทธิบัตรของ Gaulard และ Gibbs ในราคา 50,000 ดอลลาร์ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2429 ^{[ 81 ]}เขาได้มอบหมายให้วิลเลียม สแตนลีย์ออกแบบหม้อแปลงของ Gaulard และ Gibbs ใหม่เพื่อใช้ในเชิงพาณิชย์ในสหรัฐอเมริกา^{[ 82 ]}การออกแบบที่ได้รับสิทธิบัตรครั้งแรกของสแตนลีย์คือขดลวดเหนี่ยวนำที่มีแกนเดี่ยวทำจากเหล็กอ่อนและช่องว่างที่ปรับได้เพื่อควบคุม EMF ที่มีอยู่ในขดลวดทุติยภูมิ (ดูภาพ) การออกแบบนี้^{[ 83 ]}ถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ครั้งแรกในสหรัฐอเมริกาในปี พ.ศ. 2429 ^{[ 84 ]}แต่เวสติงเฮาส์ตั้งใจที่จะปรับปรุงการออกแบบของสแตนลีย์เพื่อให้ (แตกต่างจากแบบ ZBD) ผลิตได้ง่ายและราคาถูก^{[ 83 ]}

เวสติงเฮาส์ สแตนลีย์ และผู้ร่วมงานได้พัฒนาแกนที่ผลิตได้ง่ายกว่า โดยประกอบด้วยแผ่นเหล็กรูปตัว 'E' บางๆ เรียงซ้อนกัน หุ้มด้วยแผ่นกระดาษบางๆ หรือวัสดุฉนวนอื่นๆ จากนั้นจึงสามารถสอดขดลวดทองแดงที่พันไว้ล่วงหน้าเข้าไป และวางแผ่นเหล็กตรงเข้าไปเพื่อสร้างวงจรแม่เหล็กปิด เวสติงเฮาส์ได้รับสิทธิบัตรสำหรับการออกแบบต้นทุนต่ำแบบใหม่นี้ในปี พ.ศ. 2430 ^{[ 73 ]}

ในปี พ.ศ. 2432 วิศวกรชาวรัสเซียชื่อMikhail Dolivo-Dobrovolsky ได้พัฒนาหม้อแปลงไฟฟ้า สามเฟสตัวแรกที่บริษัท Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft ('บริษัทไฟฟ้าทั่วไป') ในประเทศเยอรมนี^{[ 85 ]}

ในปี พ.ศ. 2434 นิโคลา เทสลาได้ประดิษฐ์ขดลวดเทสลาซึ่งเป็นหม้อแปลงเรโซแนนซ์แบบแกนอากาศที่ปรับความถี่ได้สองระดับสำหรับสร้างแรงดันไฟฟ้าสูง มาก ที่ความถี่สูง^{[ 86 ]}

หม้อแปลง ความถี่เสียง (" ขดลวดซ้ำ ") ถูกใช้โดยนักทดลอง ^ในยุคแรกในการพัฒนาโทรศัพท์ [ ^{87 ]}

• บีแมน, โดนัลด์, บรรณาธิการ (1955). คู่มือระบบพลังงานอุตสาหกรรม . แมคกรอว์-ฮิลล์.
• แคลเวิร์ต, เจมส์ (2001). "ภายในทรานส์ฟอร์เมอร์ส" . มหาวิทยาลัยเดนเวอร์. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อวันที่ 9 พฤษภาคม 2007 . สืบค้นเมื่อเมื่อวันที่ 19 พฤษภาคม 2007 .
• Coltman, JW (ม.ค. 1988). "The Transformer". Scientific American . 258 (1): 86– 95. Bibcode : 1988SciAm.258a..86C . doi : 10.1038/scientificamerican0188-86 . OSTI  6851152 .
• Coltman, JW (ม.ค.–ก.พ. 2545). "ประวัติศาสตร์: หม้อแปลงไฟฟ้า". IEEE Industry Applications Magazine . 8 (1): 8– 15. doi : 10.1109/2943.974352 . S2CID  18160717 .
• เบรนเนอร์, อีโกน; จาวิด, มันซูร์ (1959). "บทที่ 18 – วงจรที่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก" การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้า . แมคกรอว์-ฮิลล์. หน้า  586–622 .
• CEGB (คณะกรรมการการผลิตไฟฟ้าส่วนกลาง) (1982). การปฏิบัติงานโรงไฟฟ้าสมัยใหม่ . เพอร์กามอน. ISBN 978-0-08-016436-6.
• Crosby, D. (1958). "หม้อแปลงในอุดมคติ" IRE Transactions on Circuit Theory . 5 (2): 145. doi : 10.1109/TCT.1958.1086447 .
• Daniels, AR (1985). ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเครื่องจักรไฟฟ้า . Macmillan. ISBN 978-0-333-19627-4.
• เดอ เคอเลแนร์, ฮันส์; แชปแมน, เดวิด; ฟาสบินเดอร์, สเตฟาน; แมคเดอร์มอตต์, ไมค์ (2001). ขอบเขตของการประหยัดพลังงานในสหภาพยุโรปผ่านการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าแบบประหยัดพลังงาน (PDF) . การประชุมและนิทรรศการนานาชาติว่าด้วยการจำหน่ายไฟฟ้า ครั้งที่ 16 (CIRED 2001). สถาบันวิศวกรรมและเทคโนโลยี. doi : 10.1049/cp:20010853 . เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อวันที่ 4 มีนาคม 2016. สืบค้นเมื่อ10 กรกฎาคม 2014 .
• Del Vecchio, Robert M.; Poulin, Bertrand; Feghali, Pierre TM; Shah, Dilipkumar; Ahuja, Rajendra (2002). หลักการออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้า: พร้อมการประยุกต์ใช้กับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังแบบแกน . โบคา ราตัน: CRC Press. ISBN 978-90-5699-703-8.
• ฟิงค์, โดนัลด์ จี.; บีตตี, เอช. เวย์น, บรรณาธิการ (1978). คู่มือมาตรฐานสำหรับวิศวกรไฟฟ้า (ฉบับที่ 11). แมคกรอว์ ฮิลล์. ISBN 978-0-07-020974-9.
• กอตต์ลีบ, เออร์วิง (1998). คู่มือหม้อแปลงไฟฟ้าเชิงปฏิบัติ: สำหรับวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ วิทยุ และการสื่อสาร . เอลเซเวียร์. ISBN 978-0-7506-3992-7.
• Guarnieri, M. (2013). "ใครเป็นผู้คิดค้นหม้อแปลงไฟฟ้า?" IEEE Industrial Electronics Magazine . 7 (4): 56– 59. doi : 10.1109/MIE.2013.2283834 . S2CID  27936000 .
• Halacsy, AA; Von Fuchs, GH (เมษายน 1961). "หม้อแปลงไฟฟ้าถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อ 75 ปีก่อน". วารสารของสถาบันวิศวกรไฟฟ้าแห่งอเมริกา. ตอนที่ 3: อุปกรณ์และระบบกำลังไฟฟ้า . 80 (3): 121– 125. doi : 10.1109/AIEEPAS.1961.4500994 . S2CID  51632693 .
• Hameyer, Kay (2004). เครื่องจักรไฟฟ้า I: พื้นฐาน การออกแบบ หน้าที่ การทำงาน (PDF) . สถาบันเครื่องจักรไฟฟ้า มหาวิทยาลัย RWTH Aachen. เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 10 กุมภาพันธ์ 2013
• แฮมมอนด์, จอห์น วินโทรป (1941). ผู้ชายและโวลต์: เรื่องราวของเจเนอรัลอิเล็กทริก . บริษัท เจบี ลิปปินคอตต์. ดูโดยเฉพาะหน้า 106–107, 178, 238.
• Harlow, James (2004). วิศวกรรมหม้อแปลงไฟฟ้า (PDF) . CRC Press. ISBN 0-8493-1704-5.
• ฮิวส์, โทมัส พี. (1993). เครือข่ายแห่งอำนาจ: การใช้ไฟฟ้าในสังคมตะวันตก, 1880-1930 . บัลติมอร์: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์. หน้า 96. ISBN 978-0-8018-2873-7สืบค้นข้อมูลเมื่อ 9กันยายน2552
• ฮีธโคต, มาร์ติน (1998). หนังสือ J & P Transformer (ฉบับที่ 12). นิวเนส. ISBN 978-0-7506-1158-9.
• ฮินด์มาร์ช, จอห์น (1977). เครื่องจักรไฟฟ้าและการประยุกต์ใช้งาน (ฉบับที่ 4). เอ็กซิเตอร์: เพอร์กามอน. ISBN 978-0-08-030573-8.
• Kothari, DP; Nagrath, IJ (2010). เครื่องจักรไฟฟ้า (ฉบับที่ 4). Tata McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-069967-0.
• Kulkarni, SV; Khaparde, SA (2004). วิศวกรรมหม้อแปลงไฟฟ้า: การออกแบบและการปฏิบัติ . สำนักพิมพ์ CRC. ISBN 978-0-8247-5653-6.
• แมคลาเรน, ปีเตอร์ (1984). พลังงานไฟฟ้าและเครื่องจักรเบื้องต้น . เอลลิส ฮอร์วูด. ISBN 978-0-470-20057-5.
• แมคไลแมน, พันเอกวิลเลียม (2004). "บทที่ 3" . คู่มือการออกแบบหม้อแปลงและตัวเหนี่ยวนำ . CRC. ISBN 0-8247-5393-3.
• ปานสินี, แอนโทนี (1999). หม้อแปลงไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้า . สำนักพิมพ์ซีอาร์ซี. ISBN 978-0-88173-311-2.
• Parker, M. R; Ula, S.; Webb, WE (2005). "§2.5.5 'หม้อแปลงไฟฟ้า' และ §10.1.3 'หม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติ'" . ใน Whitaker, Jerry C. (บรรณาธิการ). คู่มืออิเล็กทรอนิกส์ (ฉบับที่ 2). Taylor & Francis. หน้า 172, 1017. ISBN 0-8493-1889-0.
• ไรอัน, เอชเอ็ม (2004). วิศวกรรมและการทดสอบแรงดันสูง . สำนักพิมพ์ซีอาร์ซี. ISBN 978-0-85296-775-1.

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับทรานส์ฟอร์เมอร์ส

เว็บไซต์ Wikibook School Scienceมีหน้าเว็บเกี่ยวกับหัวข้อ: วิธีการสร้างหม้อแปลงไฟฟ้า

ลิงก์ทั่วไป :