Для чего предназначены трансформаторы: Трансформатор — урок. Физика, 8 класс.

Электрические трансформаторы

Электрический трансформатор – это статическое устройство, служащее для преобразования величины переменного напряжения.

Действие трансформаторов основано на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор состоит из одной первичной обмотки, одной или нескольких вторичных обмоток и ферромагнитного магнитопровода, обычно замкнутой формы. Все обмотки расположены на магнитопроводе и индуктивно связаны между собой. Иногда вторичной обмоткой служит часть первичной, или наоборот. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами.

Концы первичной обмотки подключают к источнику переменного напряжения, а концы вторичной — к потребителям. Переменный ток в первичной обмотке приводит к появлению в магнитопроводе переменного магнитного потока, который создаёт в первичной и вторичной обмотках электродвижущие силы (ЭДС). Эти ЭДС пропорциональны количеству витков в соответствующих обмотках. Отношение ЭДС в первичной обмотке к ЭДС во вторичной обмотке называют коэффициентом трансформации.

I. Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы – это наиболее распространенный вид электрических трансформаторов. Они служат для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем, в радиотехнических устройствах, системах автоматики и др. и работают при постоянном действующем значении напряжения. Мощные силовые трансформаторыимеют КПД до 99%. Их обмотки изготовляют, как правило, из меди, магнитопроводы — из листов холоднокатаной электротехнической стали. Магнитопровод и обмотки силового трансформатора обычно помещают в бак, заполненный минеральным маслом, которое служит для изоляции и охлаждения обмоток. Масляные трансформаторы обычно устанавливают на открытом воздухе. Трансформаторы без масляного охлаждения называются сухими. Для лучшего отвода тепла силовые трансформаторы могут снабжаться радиаторами.

h2″>ОСЗ трансформаторы напряжения	ТСЗР трансформаторы силовые защищенные разделительные	ТСЗИ трансформаторы трёхфазные сухие для питания электроинструмента (ЭТЗ)

Помимо силовых, существуют трансформаторы различных типов и назначения: для измерения больших напряжений и токов (измерительные), для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное (пик-трансформаторы), для преобразования импульсов тока и напряжения (импульсные), для выделения переменной составляющей тока, для разделения электрических цепей на гальванически не связанные между собой части, для их согласования и т.д.

II. Измерительные трансформаторы

Измерительный трансформатор – это электрический трансформатор, на первичную обмотку которого воздействует измеряемый ток или напряжение, а вторичная, понижающая, включена на измерительные приборы и реле защиты. Измерительные трансформаторы применяют главным образом в распределительных устройствах и в цепях переменного тока высокого напряжения для безопасных измерений силы тока, напряжения, мощности, энергии. С помощью измерительных трансформаторов можно измерять различные значения электрических величин электроизмерительными приборами. Различают измерительные трансформаторы напряжения (для включения вольтметров, частотомеров, параллельных цепей ваттметров, счётчиков, фазометров и реле напряжения) и измерительные трансформаторы тока (для включения амперметров, последовательных цепей ваттметров, счётчиков, фазометров и реле тока).

НТМИ-6 трансформаторы напряжения масляные (КТЗ)	ЗНОЛ.06 трансформаторы напряжения измерительные сухие заземляемые	ТЗЛМ-1 трансформаторы тока нулевой последовательности

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для преобразования высокого напряжения в низкое в цепях измерения и контроля. Применение трансформаторов напряжения позволяет изолировать цепи вольтметров, частотомеров, электрических счётчиков, устройств автоматического управления и контроля и т. д. от цепи высокого напряжения и создаёт возможность стандартизации номинального напряжения контрольно-измерительной аппаратуры. 

Трансформаторы напряжения подразделяются на:

• трансформаторы переменного напряжения,
• трансформаторы постоянного напряжения.

Первичная обмотка трансформатора переменного напряжения состоит из большого числа витков и подключается к цепи с измеряемым напряжением параллельно. К зажимам вторичной обмотки с числом витков во много раз меньшим подсоединяют измерительные приборы или контрольные устройства. Так как внутреннее сопротивление последних относительно велико, трансформатор работает в условиях, близких к режиму холостого хода, что позволяет (пренебрегая потерями напряжения в обмотках) считать напряжения на первичной и вторичной обмотках пропорциональными количеству витков в обмотках. Зная коэффициент трансформации можно по результатам измерения низкого напряжения во вторичной обмотке определять высокое первичное напряжение.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для измерения и контроля больших токов с использованием стандартных измерительных приборов и устройств автоматического управления и контроля. Одновременно трансформаторы тока служат для изоляции аппаратуры от потенциала сети, в которой производится измерение. 

Трансформаторы тока подразделяются на:

• трансформаторы переменного тока,
• трансформаторы постоянного тока.

Первичная обмотка трансформаторов переменного тока состоит из одного или нескольких витков провода относительно большого сечения и включается последовательно в цепь измеряемого тока. Вторичная обмотка состоит из большого числа витков провода сравнительно малого сечения; к ней подключают приборы и устройства с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением (амперметры, счётчики, реле и т.п.). Отличительной особенность трансформаторов тока – независимость тока в первичной обмотке от режима работы вторичной обмотки (практически она короткозамкнута).

Это позволяет, при известном коэффициенте трансформации, определять большой ток в первичной обмотке, измеряя относительно слабый ток во вторичной. 

Трансформаторы тока классифицируют по:

• назначению (измерительные, защитные, промежуточные, лабораторные),
• способу установки (наружные, внутренние, встроенные в электрические аппараты и машины, накладные, надеваемые на проходные изоляторы, переносные),
• числу ступеней (одноступенчатые, каскадные),
• способу крепления (проходные, в том числе электроизмерительные клещи, опорные),
• числу витков первичной обмотки (одновитковые, или стержневые, многовитковые),
• рабочему напряжению (низкого напряжения, высокого напряжения),
• виду изоляции обмоток (с сухой, бумажно-масляной, компаундной изоляцией).

III. Автотрансформаторы

Автотрансформатор – это электрический трансформатор, все обмотки которого гальванически соединены друг с другом. При малых коэффициентах трансформации автотрансформаторы легче и дешевле многообмоточных трансформаторов. Недостаток автотрансформаторов заключается в невозможности гальванического обособления цепей. Автотрансформаторы служат преобразователями электрического напряжения в пусковых устройствах мощных электродвигателей переменного тока, в схемах релейной защиты для плавного регулирования напряжения и др. Регулируемые автотрансформаторы позволяют благодаря механическому перемещению точки отвода вторичного напряжения сохранить его постоянным при изменениях первичного напряжения.

TDGC2, TSGC2 автотрансформаторы лабораторные

IV. Импульсные трансформаторы

Импульсный трансформатор – имеет ферромагнитный сердечник и применяется для преобразования импульсов электрического тока или напряжения. Импульсные трансформаторы в радиолокации, импульсной радиосвязи, автоматике и вычислительной технике применяют для согласования источника импульсов с нагрузкой, изменения полярности импульсов, разделения электрических цепей по постоянному и переменному току, сложения сигналов, поджигания импульсных ламп и т. д. Основное требование, предъявляемое к импульсным трансформаторам, – передача импульса с минимальными искажениями формы. Для этого необходимо, чтобы межвитковые ёмкости обмоток, паразитные ёмкости монтажа и индуктивность рассеяния трансформатора были минимальными. Уменьшение межвитковых ёмкостей достигается применением сердечников малых размеров, соответствующей намоткой и взаимным расположением обмоток, а также уменьшением числа витков (при этом снижается коэффициент трансформации). Сердечники импульсных трансформаторов изготавливаются из пермаллоя, кремнистой трансформаторной стали, ферритов и других материалов с высокой магнитной проницаемостью. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники импульсных трансформаторов навивают из ферромагнитной ленты толщиной до 10 мкм; поверхность ленты покрывают изолирующим слоем. Ферритовые сердечники, имеющие малые потери на вихревые токи, изготавливают методами порошковой металлургии. Первичная обмотка импульсного трансформатора обычно содержит от 50 до 200 витков, коэффициент трансформации выбирается от 0,25 до 5, а в некоторых случаях до 100 и выше.

V. Пик-трансформаторы

Пик-трансформатор – это электрический трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Простейший пик-трансформатор имеет магнитопровод с разной толщиной стержней. Вторичная обмотка располагается на более тонком стержне. При протекании в первичной обмотке синусоидального тока в магнитопроводе возникает магнитный поток, который уже при малых значениях силы тока насыщает тонкий стержень магнитопровода, вследствие чего ЭДС, индуцированная во вторичной обмотке, имеет импульсный (пиковый) характер. Пик-трансформаторы используются как генераторы импульсов главным образом в исследовательских установках высокого напряжения, а также в устройствах автоматики.

Трансформаторные масла – это нефтяные или синтетические масла, применяемые в качестве электроизолирующей и теплоотводящей среды в трансформаторах и другом маслонаполненном электрооборудовании, а также в масляных выключателях для гашения электрической дуги при отключении тока. Основная доля трансформаторных масел приходится на масла нефтяные. Трансформаторное масло получают очисткой соответствующих нефтяных дистиллятов с помощью селективных растворителей (фенола, фурфурола), серной кислоты, адсорбентов или гидрированием. Процесс получения масел из сырья, содержащего парафиновые углеводороды, включает также стадию депарафинизации. Трансформаторные масла должны обладать высокой электрической прочностью и электрическим сопротивлением, минимальным тангенсом угла диэлектрических потерь, стабильностью к окислению, должны иметь малую вязкость, низкую испаряемость. Нефтяные трансформаторные масла имеют вязкость 6 – 10×10-6 м2/сек при 50 °С, температуру застывания не выше -45°С, температуру вспышки не ниже 135 °С, тангенс угла диэлектрических потерь не более 0,026 – 0,005 при 90 °С, диэлектрическая проницаемость 2,2 – 2,3; они не должны содержать воду и механические загрязнения. Из синтетических трансформаторных масел наибольшее распространение получили жидкости на основе хлорированных дифенилов и трихлорбензола (гексол, совтолы). В некоторых видах специальных трансформаторов применяются также углеводородные, кремнийорганические и фосфорорганические синтетические жидкости.

устройство, классификация, принцип работы, видео

Пример HTML-страницы

Трансформатор напряжения – это один из видов трансформаторов, который еще называют измерительным, предназначеннный для отделения первичных цепей высокого и сверх высокого напряжений и цепей измерений, РЗ и А. Также их используют для понижения высоких напряжений (110, 10 и 6 кВ) до стандартных нормируемых величин напряжений вторичных обмоток – 100 либо 100/√3.

Помимо этого, применение трансформаторов напряжение в электроустановках позволяет изолировать маломощные низковольтные измерительные приборы и устройства, что удешевляет стоимость и позволяет использовать более простое оборудование, а также обеспечивает безопасность обслуживания электроустановок.

Трансформаторы напряжения нашли широкое применение в силовых электроустановках высокого напряжения

От точности их работы зависит правильность коммерческого учета электроэнергии, селективность действия устройств РЗ и противоаварийной автоматики, также они служат для синхронизации и питания автоматики релейной защиты ЛЭП от коротких замыканий, и др.

Содержание

1. Классификация трансформаторов напряжения
2. Виды трансформаторов напряжения
3. Трансформатор напряжения ЗНОЛ-НТЗ-35-IV-11
4. Назначение и область применение ЗНОЛ-НТЗ
5. Трехфазная антирезонансная группа трансформаторов напряжения 3хЗНОЛПМ(И)
6. Назначение 3хЗНОЛПМ(И)
7. НАМИТ-10-2
8. Назначение и область применения
9. Технические параметры трансформатора напряжения НАМИТ-10-2

Измерительный трансформатор конструктивно практически не отличается от стандартных силовых трансформаторов. Он состоит из обмоток: первичной и одной либо нескольких вторичных и стального сердечника, набранного листами электротехнической стали. Первичная обмотка имеет большее количество витков, в сравнении со вторичной. На первичную — подается напряжение, которое требуется измерить, а ко вторичным — подключаются ваттметр и пр. измерительные аппараты. Поскольку ваттметр имеет значительное сопротивление, то по вторичной принято считать, что протекает малый ток. Поэтому полагают, что измерительный трансформатор напряжения функционирует в режимах близких к холостому ходу.

Такие трансформаторы оснащают разъемами для подключения: первичная обмотка присоединяется к цепям силового напряжения, а ко вторичной могут подключены — реле, обмотки вольтметра или ваттметра и пр. приборы. Принцип действия у них аналогичен силовому трансформатору: трансформирование напряжения в измерительном трансформаторе производится переменным магнитным полем.

Интересное видео о работе и принципе устройста трансформаторов тока смотрите ниже:

Потери намагничивания обуславливают некоторую погрешность в классах точности.

Погрешность определяется:

• конструкцией магнитопровода;
• проницаемостью стали;
• коэффициентом мощности, т.е. зависит от вторичной нагрузки.

Конструкцией предусматривается компенсация погрешности по напряжению благодаря уменьшению количества витков первичной обмотки, устранению угловой погрешности с помощью компенсирующих обмоток. Простейшая схема включения трансформатора напряжения

Классификация трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения принято разделять по следующим признакам:

1. По количеству фаз:
   • однофазные;
   • трехфазные.
2. По числу обмоток:
   • 2-х-обмоточные;
   • 3-х-обмоточные.
3. По способу действия системы охлаждения:
   • электрические устройства с масляным охлаждением;
   • электрические устройства с воздушной системой охлаждения ( с литой изоляцией либо сухие).
4. По способу установки и размещения:
   • для наружной установки;
   • для внутренней;
   • для комплектных РУ.
5. По классу точности: по нормируемым величинам погрешностей.

Виды трансформаторов напряжения

Рассмотрим несколько трансфомраторов напряжения разных производителей:

Трансформатор напряжения ЗНОЛ-НТЗ-35-IV-11

Производиель — Невский трансформаторный завод «Волхов».

Назначение и область применение ЗНОЛ-НТЗ

Трансформаторы предназначены для наружной установки в открытых распределительных устройствах (ОРУ). Трансформаторы обеспечивают передачу сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, предназначены для использования в цепях коммерческого учета электроэнергии в электрических установках переменного тока на класс напряжения 35 кВ. Трансформаторы выполнены в виде опорной конструкции.

Корпус трансформаторов выполнен из компаунда на основе гидрофобной циклоалифатической смолы «Huntsman», который одновременно является основной изоляцией и обеспечивает защиту обмоток от механических и климатических воздействий.Рабочее положение трансформаторов в пространстве — вертикальное, высоковольтными выводами вверх.

Рисунок — Габаритные размеры трансформатора

Рисунок — схемы подключения обмоток трансформаторов

Характеристики:

1. Класс напряжения по ГОСТ 1516. 3, кВ — 27 35 27
2. Наибольшее рабочее напряжение, кВ — 30 40,5 40,5
3. Номинальное напряжение первичной обмотки, кВ — 15,6 20,2 27,5
4. Номинальное напряжение основной вторичной обмотки, В — 57,7 100
5. Номинальное напряжение дополнительной вторичной обмотки, В — 100/3, 100 127
6. Номинальные классы точности основной вторичной обмотки — 0,2; 0,5; 1; 3

Ещё одно интересное видео о работе трансформаторов тока:

---

Трехфазная антирезонансная группа трансформаторов напряжения 3хЗНОЛПМ(И)

Производитель «Свердловский завод трансформаторов тока»

Назначение 3хЗНОЛПМ(И)

Трансформаторы предназначены для установки в комплектные устройства (КРУ), токопроводы и служат для питания цепей измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления в электрических установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц в сетях с изолированной нейтралью.

Трансформаторы изготавливаются в климатическом исполнении «УХЛ» категории размещения 2 по ГОСТ 15150.

Рабочее положение — любое.

Расположение первичного вывода возможно как с лицевой так и с тыльной стороны трансформатора.

Трехфазная группа может комплектоваться в 4-ех вариантах:

• из трех трансформаторов ЗНОЛПМ — 3хЗНОЛПМ-6 и 3хЗНОЛПМ-10;
• из трех трансформаторов ЗНОЛПМИ — 3хЗНОЛПМИ-6 и 3хЗНОЛПМИ-10;
• из одного трансформатора ЗНОЛПМ (устанавливается по середине) и двух трансформаторов ЗНОЛПМИ (устанавливаются по краям) — 3хЗНОЛПМ(1)-6 и 3хЗНОЛПМ(1)-10;
• из двух трансформаторов ЗНОЛПМ (устанавливаются по краям) и одного трансформатора ЗНОЛПМИ (устанавливается по середине) — 3хЗНОЛПМ(2)-6 и 3хЗНОЛПМ(2)-10.

Для повышения устойчивости к феррорезонансу и воздействию перемежающейся дуги в дополниетльные обмотки, соединенные в разомкнутый треугольник, используемые для контроля изоляции сети, рекомендуется включать резистор сопротивлением 25 Ом, рассчитанный на длительное протекание тока 4А.

Внимание! При заказе трансформаторов напряжения для АИСКУЭ обязательно заполнение опросного листа.

Гарантийный срок эксплуатации — 5 (пять) лет со дня ввода трансформатора в эксплуатацию, но не более 5,5 лет с момента отгрузки с завода-изготовителя.

Срок службы — 30 лет.

---

НАМИТ-10-2

Производитель ОАО «Самарский Трансформатор»

Назначение и область применения

Трансформатор напряжения НАМИТ-10-2 УХЛ2 трехфазный масляный антирезонансный является масштабным преобразователем и предназначен для выработки сигнала измерительной информации для измерительных приборов в цепях учёта, защиты и сигнализации в сетях 6 и 10 кВ переменного тока промышленной частоты с изолированной нейтралью или заземлённой через дугогасящий реактор. Трансформатор устанавливается в шкафах КРУ(Н) и в закрытых РУ промышленных предприятий

Технические параметры трансформатора напряжения НАМИТ-10-2

1. Номинальное напряжение первичной обмотки, кВ — 6 или 10
2. Наибольшее рабочее напряжение, кВ — 7,2 или 12
3. Номинальное напряжение основной вторичной обмотки (между фазами), В — 100 (110)
4. Ннапряжение дополнительной вторичной обмотки (аД — хД), не более, В — 3
5. Класс точности основной вторичной обмотки — 0,2/0,5

Рисунок — Габаритные размеры и схема подключения.

Для чего нужен трансформатор?

Трансформаторы используются везде, где используется электрическая энергия переменного тока. Трансформатор — это электрическое устройство, которое обменивает напряжение на ток в цепи, не влияя при этом на общую электрическую мощность. Это означает, что он берет электричество высокого напряжения с небольшим током и превращает его в электричество низкого напряжения с большим током, или наоборот. Одна вещь, которую нужно знать о трансформаторах, это то, что они работают только на переменный ток (AC), который вы получаете от настенных розеток, а не на постоянный ток (DC).

Повышающие и понижающие трансформаторы

Трансформаторы могут использоваться как для повышения, так и для понижения напряжения. Трансформаторы, предназначенные для преобразования низкого напряжения в высокое, также известные как повышающие напряжение, называются «повышающие трансформаторы». Трансформаторы, предназначенные для снижения напряжения, также известные как понижение напряжения, называются «понижающими трансформаторами». Подробнее о различиях между повышающими и понижающими трансформаторами можно прочитать здесь.

Как работают электрические трансформаторы

В трансформаторах используются две катушки провода, каждая из которых содержит сотни или тысячи витков, намотанных на металлический сердечник. Одна катушка предназначена для входящего электричества, а другое – для исходящего электричества. Переменный ток во входящей катушке создает переменное магнитное поле в сердечнике, которое затем генерирует переменный ток в исходящей катушке.

Энергия теряется в процессе передачи электроэнергии на большие расстояния, например, во время пути от электростанции до вашего дома. Меньше энергии теряется, если напряжение очень высокое. Обычно электрические коммунальные предприятия используют высокое напряжение в проводах передачи на большие расстояния. Однако такое высокое напряжение слишком опасно для домашнего использования. В случае электрических коммунальных услуг в домах они используют трансформаторы для изменения напряжения электричества, когда оно проходит от электростанции к вашему дому.

Сначала с помощью трансформатора напряжение электричества, поступающего от электростанции, «повышается» до нужного уровня для передачи на большие расстояния. Поскольку ток высокого напряжения может вызвать дугу, для питания свечей зажигания используются повышающие трансформаторы, называемые катушками зажигания. Динамо на электростанциях генерируют большие токи, но не большое напряжение. Это электричество усиливается до высокого напряжения для передачи по проводам, поскольку при высоком напряжении электричество передается более эффективно.

Позже напряжение понижается до того, как оно попадет в ваш дом – снова с помощью трансформаторов. «Понижающий» трансформатор преобразует 440-вольтовую электроэнергию в линиях электропередач в 120-вольтовую электроэнергию, которую вы используете в своем доме. Затем ток либо используется на этом уровне для таких устройств, как лампочки, либо преобразуется в постоянный ток с помощью адаптера переменного/постоянного тока для таких устройств, как портативные компьютеры.

С момента появления первых трансформаторов постоянного напряжения в 1885 году, трансформаторы стали необходимы для передачи, распределения и использования электрической энергии переменного тока во всех приложениях власти.

Типы трансформаторов для коммерческих и промышленных проектов

При отображении электрической системы можно столкнуться с двумя основными типами трансформаторов: силовыми и распределительными. Силовые трансформаторы обычно используются для коммунального питания на электростанциях для сетей в городах, поэтому, если вы не передаете электроэнергию при большой нагрузке с напряжением выше 33 кВ и КПД 100%, вам, вероятно, понадобится распределительный трансформатор.

Распределительные трансформаторы, которые можно найти на многих временных строительных площадках, часто используются для преобразования энергии местного генератора во вторичное напряжение для питания инструментов, освещения и другого оборудования. Если вы не уверены, какой тип нужен вашему проекту, прочитайте о силовых трансформаторах и распределительных трансформаторах.

Переносные трансформаторы для временного энергоснабжения

Переносные трансформаторы имеют малый вес и компактность, что упрощает их транспортировку и установку в различных местах по мере необходимости. Эти трансформаторы используются для уменьшения, увеличения или очистки существующего напряжения, чтобы обеспечить электроэнергией различное оборудование для различных отраслевых приложений.

Например, портативный понижающий трансформатор можно использовать на строительных площадках для преобразования энергии высокого напряжения от большого генератора в более низкое напряжение, подходящее для питания инструментов и освещения, когда доступ к ближайшему источнику питания недоступен. Портативный повышающий трансформатор можно использовать на рабочих площадках для питания оборудования, требующего более высокого напряжения, чем то, что доступно в местной электросети.

Переносные трансформаторы используются для питания осветительных и звуковых систем на мероприятиях и концертах на открытом воздухе или в местах, где отсутствует надлежащая электрическая инфраструктура. Кино- и телекомпании используют трансформаторы для освещения и операторского оборудования на выездных съемках, где может не быть доступа к электрической розетке. В целом, портативные трансформаторы полезны в любой ситуации, когда необходимо преобразовывать или распределять электроэнергию во временных или мобильных условиях.

В Power Temp Systems мы специализируемся на создании инновационного оборудования, которое эффективно и безопасно распределяет и использует энергию для любого проекта. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши потребности в электроэнергии.

Что такое модель-трансформер?

Если вы хотите оседлать новую волну ИИ, возьмите трансформатор.

Это не игрушечные роботы-оборотни из телевизора и не бадьи размером с мусорное ведро на телефонных столбах.

Итак, что такое модель-трансформер?

Модель преобразователя — это нейронная сеть, которая изучает контекст и, таким образом, значение, отслеживая связи в последовательных данных, таких как слова в этом предложении.

Модели-трансформеры применяют постоянно развивающийся набор математических методов, называемых вниманием или само-вниманием, для обнаружения незаметных способов, которыми даже отдаленные элементы данных в ряду влияют друг на друга и зависят друг от друга.

Трансформеры, впервые описанные в статье Google за 2017 год, являются одними из новейших и самых мощных классов моделей, изобретенных на сегодняшний день. Они продвигают волну достижений в области машинного обучения, которую некоторые называют искусственным интеллектом-трансформером.

Исследователи из Стэнфорда назвали трансформеры «основными моделями» в статье от августа 2021 года, потому что они видят, что они вызывают сдвиг парадигмы в ИИ. «Масштаб и размах моделей фундамента за последние несколько лет расширили наше представление о том, что возможно», — написали они.

Что могут модели-трансформеры?

Transformers переводят текст и речь практически в режиме реального времени, открывая встречи и классы для разных участников и людей с нарушениями слуха.

Они помогают исследователям понять цепочки генов в ДНК и аминокислоты в белках таким образом, чтобы ускорить разработку лекарств. Преобразователи

, иногда называемые базовыми моделями, уже используются со многими источниками данных для множества приложений. Трансформаторы

могут обнаруживать тенденции и аномалии для предотвращения мошенничества, оптимизации производства, предоставления онлайн-рекомендаций или улучшения здравоохранения.

Люди используют трансформеры каждый раз, когда ищут в Google или Microsoft Bing.

Эффективный цикл Transformer AI

Любое приложение, использующее последовательные текстовые, графические или видеоданные, является кандидатом для моделей Transformer.

Это позволяет этим моделям двигаться по благотворному циклу ИИ-трансформера. Преобразователи, созданные с использованием больших наборов данных, делают точные прогнозы, которые способствуют их более широкому использованию, генерируя больше данных, которые можно использовать для создания еще более совершенных моделей.

Исследователи из Стэнфорда говорят, что трансформеры знаменуют собой следующий этап развития ИИ, который некоторые называют эрой ИИ-трансформеров.

«Трансформеры сделали возможным обучение с самоконтролем, а искусственный интеллект достиг невероятной скорости», — сказал основатель и генеральный директор NVIDIA Дженсен Хуанг в своем программном выступлении на этой неделе в GTC.

Преобразователи заменяют CNN, RNN

Преобразователи во многих случаях заменяют сверточные и рекуррентные нейронные сети (CNN и RNN), самые популярные типы моделей глубокого обучения всего пять лет назад.

Действительно, 70 процентов статей arXiv по ИИ, опубликованных за последние два года, упоминают трансформаторы. Это радикальный сдвиг по сравнению с исследованием IEEE 2017 года, в котором сообщалось, что RNN и CNN были наиболее популярными моделями распознавания образов.

Без меток, выше производительность

До появления преобразователей пользователям приходилось обучать нейронные сети с помощью больших помеченных наборов данных, создание которых требовало больших затрат и времени. Находя закономерности между элементами математически, преобразователи устраняют эту необходимость, делая доступными триллионы изображений и петабайты текстовых данных в Интернете и в корпоративных базах данных.

Кроме того, математика, которую используют трансформеры, поддается параллельной обработке, поэтому эти модели могут работать быстро.

Трансформеры теперь доминируют в популярных списках лидеров по производительности, таких как SuperGLUE, эталонный тест, разработанный в 2019 году для систем обработки языков.

Как трансформеры обращают внимание

Как и большинство нейронных сетей, модели трансформеров представляют собой большие блоки кодировщика/декодера, которые обрабатывают данные.

Небольшие, но важные дополнения к этим блокам (показаны на диаграмме ниже) делают трансформаторы уникально мощными.

Заглянуть под капот из презентации Эйдана Гомеса, одного из восьми соавторов статьи 2017 года, в которой даны определения трансформаторов. Трансформаторы

используют позиционные энкодеры для маркировки элементов данных, входящих и исходящих из сети. Единицы внимания следуют этим тегам, вычисляя своего рода алгебраическую карту того, как каждый элемент соотносится с другими.

Запросы на внимание обычно выполняются параллельно путем вычисления матрицы уравнений в так называемом многоголовом внимании.

С помощью этих инструментов компьютеры могут видеть те же закономерности, что и люди.

Самовнимание находит смысл

Например, в предложении:

Она наливала воду из кувшина в чашку, пока она не наполнилась.

Мы знаем, что «это» относится к чашке, а в предложении:

Она лила воду из кувшина в чашку, пока та не опустела.

Мы знаем, что «это» относится к кувшину.

«Смысл — это результат взаимосвязей между вещами, а внимание к себе — это общий способ изучения взаимосвязей», — сказал Ашиш Васвани, бывший старший научный сотрудник Google Brain, руководивший работой над основополагающей статьей 2017 года.

«Машинный перевод был хорошим средством проверки собственного внимания, потому что вам нужны были короткие и длинные отношения между словами», — сказал Васвани.

«Теперь мы видим, что внимание к себе — мощный и гибкий инструмент для обучения», — добавил он.

Как трансформеры получили свое название

Внимание настолько важно для трансформеров, что исследователи Google почти использовали этот термин в качестве названия своей модели 2017 года. Почти.

«Attention Net звучит не очень захватывающе», — сказал Васвани, который начал работать с нейронными сетями в 2011 году9.0003

.Jakob Uszkoreit, старший инженер-программист в команде, придумал название Transformer.

«Я утверждал, что мы трансформировали представления, но это была просто игра в семантику», — сказал Васвани.

Рождение трансформеров

В статье для конференции NeurIPS 2017 команда Google описала свой трансформер и рекорды точности, которые он установил для машинного перевода.

Благодаря набору методов они обучили свою модель всего за 3,5 дня на восьми графических процессорах NVIDIA, что составляет небольшую часть времени и стоимости обучения предыдущих моделей. Они обучили его на наборах данных, содержащих до миллиарда пар слов.

«Это был интенсивный трехмесячный спринт до даты подачи статьи», — вспоминает Эйдан Гомес, стажер Google в 2017 году, который участвовал в работе.

«В ту ночь, когда мы отправляли заявку, мы с Ашишем всю ночь работали в Google, — сказал он. «Я успел поспать пару часов в одном из небольших конференц-залов и проснулся как раз вовремя для представления, когда кто-то, пришедший рано на работу, открыл дверь и ударил меня по голове».

Это был тревожный звонок во многих смыслах.

«Той ночью Ашиш сказал мне, что он был убежден, что это будет иметь большое значение, что-то, что изменит правила игры. Я не был убежден, я думал, что это будет скромный выигрыш в тесте, но оказалось, что он был очень прав», — сказал Гомес, который сейчас является генеральным директором стартапа Cohere, предоставляющего услуги языковой обработки на основе трансформеров.

Момент для машинного обучения

Васвани вспоминает волнение, когда увидел, что результаты превосходят аналогичную работу, опубликованную командой Facebook с использованием CNN.

«Я понимаю, что это может стать важным моментом в машинном обучении», — сказал он.

Год спустя другая команда Google пыталась обрабатывать текстовые последовательности как в прямом, так и в обратном направлении с помощью преобразователя. Это помогло зафиксировать больше взаимосвязей между словами, улучшив способность модели понимать значение предложения.

Их модель Bidirectional Encoder Representations from Transformers (BERT) установила 11 новых рекордов и стала частью алгоритма поиска Google.

В течение нескольких недель исследователи по всему миру адаптировали BERT для вариантов использования во многих языках и отраслях, «поскольку текст — это один из самых распространенных типов данных, которые есть в компаниях», — сказал Андерс Арптег, 20-летний ветеран исследований в области машинного обучения.

Внедрение трансформаторов в работу

Вскоре модели трансформаторов стали адаптировать для науки и здравоохранения.

Компания DeepMind в Лондоне углубила свои знания о белках, строительных кирпичиках жизни, используя преобразователь под названием AlphaFold2, описанный в недавней статье в журнале Nature. Он обрабатывал цепочки аминокислот, как текстовые строки, чтобы установить новый водяной знак для описания того, как укладываются белки, работа, которая может ускорить открытие лекарств.

AstraZeneca и NVIDIA разработали MegaMolBART, преобразователь, предназначенный для разработки лекарств. Это версия трансформатора MolBART фармацевтической компании, обученная на большой немаркированной базе данных химических соединений с использованием платформы NVIDIA Megatron для создания крупномасштабных моделей трансформаторов.

Reading Molecules, Medical Records

«Точно так же, как языковые модели ИИ могут изучать отношения между словами в предложении, наша цель состоит в том, чтобы нейронные сети, обученные на данных о молекулярной структуре, могли изучать отношения между атомами в реальном времени. молекулы мира», — сказал Ола Энгквист, глава отдела молекулярного ИИ, научных открытий и исследований и разработок в AstraZeneca, когда в прошлом году было объявлено о работе.

Отдельно академический медицинский центр Университета Флориды сотрудничал с исследователями NVIDIA для создания GatorTron. Модель преобразователя направлена ​​на извлечение информации из огромных объемов клинических данных для ускорения медицинских исследований.

Трансформеры растут

Попутно исследователи обнаружили, что большие трансформаторы работают лучше.

Например, исследователи из Ростлаборатории Технического университета Мюнхена, которые помогли первопроходцам в работе на стыке ИИ и биологии, использовали обработку естественного языка для понимания белков. Через 18 месяцев они закончили использовать RNN с 90 миллионов параметров для моделей трансформаторов с 567 миллионами параметров.

Исследователи Ростлаба показывают, что языковые модели, обученные без меченых образцов, улавливают сигнал последовательности белка.

Лаборатория OpenAI показала, что чем больше, тем лучше с помощью генеративного предварительно обученного преобразователя (GPT). Последняя версия GPT-3 , имеет 175 миллиардов параметров по сравнению с 1,5 миллиардами для GPT-2.

Обладая дополнительным весом, GPT-3 может отвечать на запрос пользователя даже в тех задачах, для решения которых он не был специально обучен. Его уже используют такие компании, как Cisco, IBM и Salesforce.

Сказка о мегатрансформере

В ноябре NVIDIA и Microsoft достигли высшей отметки, объявив о модели генерации естественного языка Мегатрон-Тьюринг (MT-NLG) с 530 миллиардами параметров. Он дебютировал вместе с новой структурой NVIDIA NeMo Megatron, цель которой — позволить любому бизнесу создавать свои собственные преобразователи с параметрами в миллиард или триллион для обеспечения работы пользовательских чат-ботов, личных помощников и других приложений ИИ, понимающих язык.

MT-NLG публично дебютировал в качестве мозга для TJ, аватара Той Дженсен, который выступил с основным докладом на GTC NVIDIA в ноябре 2021 года.

«Когда мы увидели, как TJ отвечает на вопросы — мощность нашей работы продемонстрировал наш генеральный директор — это было захватывающе», — сказал Мостофа Патвари, возглавлявший команду NVIDIA, занимавшуюся обучением модели.

«Мегатрон помогает мне ответить на все эти трудные вопросы, которые Дженсен задает мне», — сказал TJ на GTC 2022.

Создание таких моделей не для слабонервных. MT-NLG обучался с использованием сотен миллиардов элементов данных, процесс, который требовал, чтобы тысячи графических процессоров работали в течение нескольких недель.

«Обучение больших моделей трансформеров дорого и требует много времени, поэтому, если вы не добьетесь успеха в первый или во второй раз, проекты могут быть отменены», — сказал Патвари.

Трансформаторы с триллионами параметров

Сегодня многие инженеры ИИ работают над трансформаторами с триллионами параметров и приложениями для них.

«Мы постоянно изучаем, как эти большие модели могут улучшить работу приложений. Мы также изучаем, в каких аспектах они терпят неудачу, поэтому мы можем создавать еще более совершенные и большие», — сказал Патвари.

Чтобы обеспечить вычислительную мощь, необходимую этим моделям, наш новейший ускоритель — графический процессор NVIDIA h200 с тензорными ядрами — содержит Transformer Engine и поддерживает новый формат FP8. Это ускоряет обучение, сохраняя при этом точность.

Благодаря этим и другим достижениям «обучение моделей-трансформеров можно сократить с недель до дней», — сказал Хуан из GTC.

MoE значит больше для трансформаторов

В прошлом году исследователи Google описали Switch Transformer, одну из первых моделей с триллионом параметров. Он использует разреженность ИИ, сложную архитектуру, состоящую из нескольких экспертов (MoE), и другие усовершенствования для повышения производительности при обработке языка и до 7-кратного увеличения скорости перед обучением.

Энкодер для Switch Transformer, первая модель с триллионом параметров.

Со своей стороны, Microsoft Azure работала с NVIDIA над внедрением преобразователя MoE для своей службы Translator.

Решение проблем, связанных с трансформаторами

Теперь некоторые исследователи стремятся разработать более простые трансформаторы с меньшим количеством параметров, которые обеспечивают производительность, аналогичную самым большим моделям.

«Я вижу многообещающие модели, основанные на поиске, которые меня очень волнуют, потому что они могут изменить кривую», — сказал Гомес из Cohere, упомянув в качестве примера модель Retro от DeepMind.

Модели, основанные на поиске, обучаются, отправляя запросы в базу данных. «Это круто, потому что вы можете выбирать, что добавлять в эту базу знаний», — сказал он.

В гонке за более высокой производительностью модели-трансформеры стали крупнее.

Конечная цель состоит в том, чтобы «заставить эти модели учиться, как люди, из контекста в реальном мире с очень небольшим количеством данных», — сказал Васвани, ныне соучредитель стартапа в области искусственного интеллекта.

Он представляет будущие модели, которые будут выполнять больше предварительных вычислений, поэтому им потребуется меньше данных, и у них будут лучшие способы обратной связи с пользователями.

«Наша цель — создавать модели, которые помогут людям в их повседневной жизни», — сказал он о своем новом предприятии.

Безопасные, ответственные модели

Другие исследователи изучают способы устранения предвзятости или токсичности, если модели усиливают неправильный или вредный язык. Например, Стэнфорд создал Центр исследований базовых моделей для изучения этих вопросов.

«Это важные проблемы, которые необходимо решить для безопасного развертывания моделей», — сказал Шримаи Прабхумо, научный сотрудник NVIDIA, один из многих представителей отрасли, работающих в этой области.

«Сегодня большинство моделей ищут определенные слова или фразы, но в реальной жизни эти проблемы могут проявляться незаметно, поэтому мы должны учитывать весь контекст», — добавил Прабхумо.