Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Другое / Другие методич. материалы / Урок "Общие сведения о трансформаторах. Режимы работы трансформаторов"
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 26 апреля.

Подать заявку на курс
  • Другое

Урок "Общие сведения о трансформаторах. Режимы работы трансформаторов"

библиотека
материалов

Урок 59

Тема урока: «Общие сведения о трансформаторах. Режимы работы трансформаторов».

Цели урока:

Образовательная: продолжить работу над формированием понятия об электромагнитном поле как виде материи и доказательства его реального существования; познакомить студентов с устройством и принципом действия трансформаторов ,ознакомить студентов с применениями явления электромагнитной индукции при работе трансформатора; совершенствовать навыки решения расчетных задач.

Развивающая: продолжить работу со студентами над формированием представлений о современной физической картине мира; по формированию умений применять полученные знания для объяснения принципов действия технических устройств; продолжить работу над развитием интеллектуальных умений и навыков: выделение главного, анализ, умение делать выводы, развивать навыки самостоятельной работы, логическое мышление, внимание;

Воспитательная: формировать материалистическое мировоззрение и нравственные качества личности, воспитывать умение общаться в коллективе, культуру речи..

Тип урока: изучение нового материала.

Метод урока: комбинированный, лекция с элементами беседы.

Оборудование: проектор, таблицы, трансформаторы.

Межпредметные связи: физика, математика.

ХОД УРОКА

Оформление магнитной доски

Сэкономить Его Величество

Драгоценное электричество,

Передать его потребителю,

Не прослыв при этом губителем, –

Трансформатора назначение.

Изменяет силу тока и напряжение,

Мощность же не меняет –Верность себе сохраняет.

Формулы, схемы и определения

I. Организационный момент

В начале урока студенты и преподаватель приветствуют друг друга, в журнале отмечаются отсутствующие.

II. Актуализация прежних знаний.

Перед тем, как рассматривать новый материал, вспомним предыдущий материал:

Проводится фронтальный опрос. За каждый правильный ответ учащиеся получают жетон, как во время фронтального опроса, так и во время всего урока. Набравшие 6 и более жетонов получают оценку «5», 4–5 – «4», 3 – «3».

Студентам предлагается ответить на вопросы:

  1. Как называется явление возникновения эдс в проводниках при изменении магнитного поля?

  2. Вспомните формулу электромагнитной индукции.

  3. Возможно ли возникновение эдс при постоянном магнитном потоке?

  4. Может ли возникнуть ток в разомкнутом контуре?

  5. Какие существуют способы усиления магнитных полей?

  6. Что представляют собой вихревые токи?

  7. В чём заключается их вредное действие?

  8. Какие способы уменьшения вихревых токов?

  9. Какой ток называется постоянным, какой - переменным?

III. Формирование новых понятий и способов действий.

Называю тему урока. Начинаю объяснять в форме лекции.

Для чего нужен трансформатор? Уже второй век человечество использует электрический ток в промышленных масштабах. И все эти годы используется в основном переменный ток. В странах Европы и Америки наибольшее распространение получил ток, меняющий своё направление 100–120 раз в секунду, т.е. частотой 50–60 Гц.

Почему он имеет преимущество перед постоянным током?.

Переменный ток способен легко преобразовываться в ток другого напряжения. Например, электрогенераторы гидроэлектростанций или теплоэлектростанций вырабатывают ток напряжением 10–20 кВ. Но по проводам выгодно передавать ток напряжением 100–1000 кВ. К двигателям станков на предприятиях подводится напряжение 380–660 В. Как видим, напряжение тока при производстве, передаче и использовании электроэнергии разное. Следовательно, существует потребность в трансформации (от лат. transformoпреобразую) электрического тока одного напряжения в ток другого напряжения. Для этого используются устройства, называемые электрическими трансформаторами.

Трансформатором называется статический электромагнитный прибор, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах. Когда же и кто сконструировал это устройство?

«"Днем рождения" трансформаторов считают 30 ноября 1876 года, когда выдающийся русский электротехник и изобретатель Павел Николаевич Яблочков получил французский патент, в котором был описан принцип действия и способ применения трансформатора. Это открытие базировалось на достижениях и открытиях других русских ученых-электротехников: В. Петрова (1761-1834 гг.), Э. Ленца (1804-1865 гг.), Якоби Б.С. (1801-1874 гг.). М. Доливо-Добровольский в 1890 г. предлагает конструкцию трехфазного трансформатора, который в трехфазной сети позволит заменить три однофазных агрегата. Началом производства силовых трансформаторов в России можно считать ноябрь 1928 г., когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод).

Итак , Трансформатор – это прибор для преобразования напряжения или силы переменного тока при постоянной частоте.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции: при прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции во вторичной обмотке.


Из чего состоит трансформатор? Ответ: Он состоит из сердечника и катушек.

Нhello_html_4ac20d51.pngа плакате изображена принципиальная схема трансформатора. Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, – вторичной. Следует заметить, что вторичных катушек может быть несколько, т.к. от одного источника могут получать энергию несколько потребителей: в радиоприёмнике, например, напряжение на лампе 6 В, а на усилителе 380 В.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если первичное напряжение больше вторичного – понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

hello_html_m65b8006a.png

коэффициент трансформации, он определяет тип трансформатора.

Если k < 1 – трансформатор повышающий; k > 1 – трансформатор понижающий.

Действующее значение эдс, возникающее в обмотках трансформатора равно E = 4,44fnФm.

Эта формула действительна как для первичной, так и для вторичной обмотки.

E1 = 4,44fn1Фm; E2 = 4,44fn2Фm.

Нhello_html_m1c4d9283.pngа схемах трансформатор обозначается следующим образом:

Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 — первичная обмотка (обычно слева), 2,3 — вторичные обмотки. Число полуокружностей в каком-то грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков — больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).

Трансформаторы, у которых на фазу приходится две обмотки — высшего и низшего напряжений, называются двух-обмоточными. Встречаются трансформаторы, у которых на фазу приходятся одна первичная и две вторичные обмотки. Первичная обмотка является обмоткой высшего напряжения (В. Н.). Вторичные обмотки в зависимости от величины напряжения на их зажимах называются: одна — обмоткой среднего напряжения (С. Н.) и другая —обмоткой низшего напряжения (Н. Н.). Такие трансформаторы называются трехобмоточными. Напряжения обмоток трехобмоточного трансформатора указываются тройной дробью, например 220/115/10,5 кВ или 110/35,8/11 кВ.

Основными частями конструкции трансформатора являются:

  • магнитная система (магнитопровод)

  • обмотки

  • система охлаждения

Тhello_html_34d5f6a8.jpgрансформаторы по своей конструкции бывают: стержневые, броневые, тороидальные, автотрансформаторы.

Сердечник (магнитопровод) трансформатора образует замкнутый для магнитного потока контур и изготовляется из листовой электротехнической (трансформаторной) стали толщиной 0,5 и 0,35 мм марки Э-42,Э-43 и др. Электротехническая сталь представляет собой сталь, в состав которой входит 4,0—4,8% кремния по весу. Присутствие кремния улучшает магнитные свойства стали и увеличивает ее удельное сопротивление вихревым токам. Отдельные листы стали для изоляции их один от другого покрывают слоем лака, после чего стягивают болтами, пропущенными в изолирующих втулках. Такое устройство применяется для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным магнитным потоком. Части магнитопровода, на которые надевается обмотка, называются стержнями. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом.

У трансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформатора броневого типа магнитопровод, наоборот, как «броней», охватывает обмотки. В случае неисправности в обмотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа.

Для измерительных и лабораторных трансформаторов применяют тороидальные магнитопроводы – они не имеют потоков рассеивания, имеют малое магнитное сопротивление.

В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмотки имеют форму прямоугольных катушек.

Как правило у мощных трансформаторов обмотка катушек цилиндрической формы. выполняется из изолированной круглой или прямоугольной меди, На стержень магнитопровода предварительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низшего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения.

На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который помещают обмотку высшего напряжения. Расположение этой обмотки снаружи удобно еще тем, что при неисправностях (которые чаще случаются в высоковольтной обмотке) она доступна для осмотра и ремонта.

Сечение магнитопровода не круглое, а ступенчатое, а для лучшего охлаждения устраиваются каналы параллельные и перепендикулярные плоскости стальных листов. Каналы устраиваются и в обмотках.

Мощные трансформаторы помещают в бак. Бак в первую очередь представляет собой резервуар для масла, а также обеспечивает физическую защиту для активного компонента. Он также служит в качестве опорной конструкции для вспомогательных устройств и аппаратуры управления. Перед заполнением маслом бака с активным компонентом внутри из него выкачивается весь воздух, который может подвергнуть опасности диэлектрическую прочность изоляции трансформатора (поэтому бак предназначен для выдерживания давления атмосферы с минимальной деформацией).

Ещё одним явлением, учитываемым при проектировании баков, является совпадение звуковых частот, вырабатываемых сердечником трансформатора, и частот резонанса деталей бака, что может усилить шум, излучаемый в окружающую среду.

Конструкция бака допускает температурно-зависимое расширение масла. Чаще всего устанавливается отдельный расширительный бачок, который также называется расширителем. На расширителе устанавливают масломерную стеклянную трубку для наблюдения за уровнем масла

При увеличении номинальной мощности трансформатора воздействие больших токов внутри и снаружи трансформатора оказывает влияние на конструкцию. То же самое происходит с магнитным потоком рассеяния внутри бака. Вставки из немагнитного материала вокруг сильноточных проходных изоляторов снижают риск перегрева. Внутренняя облицовка бака из высокопроводящих щитков не допускает попадания потока через стенки бака. С другой стороны, материал с низким магнитным сопротивлением поглощает поток перед его прохождением через стенки бака.

Кhello_html_53839c80.jpgонцы обмоток высшего и низшего напряжения выводятся через проходные изоляторы, укрепленные на стальной крышке трансформатора. Витки обмотки, помещенной в масло, хорошо изолируются один от другого. Кроме того, трансформаторное масло, обладая большой теплопроводностью, отнимает тепло от обмоток и отдает его баку. Для увеличения поверхности охлаждения у бака делают ребристую поверхность. Для этой же цели к баку приваривают трубы, сообщающиеся с баком в верхней и нижней частях. Для трансформаторов большой мощности трубы сваривают в отдельные блоки, называемые радиаторами, которые прикрепляют к баку. Крышка трансформатора при помощи болтов крепится к баку. При работе трансформатора масло, отнимая тепло от обмоток трансформатора, само нагревается и начинает расширяться. При остывании масло сжимается и в свободное от масла пространство может проникнуть воздух, содержащий влагу. Во избежание этого между крышкой и баком прокладывают слой резины, которая не дает воздуху проникать в бак.. Так устроены трансформаторы с масляным охлаждением. Трансформаторы небольших мощностей (5— 10 кВа) иногда устраиваются с естественным воздушным охлаждением.

Для лучшего охлаждения трансформаторов с масляным охлаждением устанавливают воздушные вентиляторы, приводимые в движение электрическими двигателями. Для этой же цели некоторые трансформаторы имеют масляный насос, который гонит нагретое масло из верхней части бака, прогоняет его через змеевик, охлаждаемый проточной водой, и подает остывшее масло в нижнюю часть бака трансформатора. Наблюдение за температурой масла в баке чаще всего осуществляется при помощи термометра, установленного в крышке трансформатора.

Режимы работы трансформатора

1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Возможен вариант исполнения трансформатора с приблизительно равными токами холостого хода и под нагрузкой. Трансформаторы, не имеющие режима холостого хода, получаются меньше и легче.

С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в стали.

2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора. При подключении нагрузки ко вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Схематично, процесс преобразования можно изобразить следующим образом:

hello_html_m66709b9a.png

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит, что:

hello_html_1687be15.png

Где U2 — Напряжение на вторичной обмотке,

N2 — число витков во вторичной обмотке,

Φ — суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:

hello_html_cca7b66.png

Где

U1 — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,

N1 — число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение U2 на U1, получим отношение:

hello_html_5e3cd634.png

Идеальный трансформатор — трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия, равна преобразованной энергии:

hello_html_m333329ea.png

Где P1 — мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,

P2 — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.

Соединив это уравнение с отношение напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

hello_html_m16aaa0f7.png

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2. Поэтому обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и наматывается из провода с меньшим поперечным сечением


3hello_html_7663f1f2.gif. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора.

Необходимо различать два режима короткого замыкания.

Аварийный режим – тогда, когда замкнута вторичная обмотка при номинальном первичном напряжении. При таком замыкании токи возрастают в 15-20 раз. Обмотка при этом деформируется, а изоляция обугливается. Железо так не подгорает. Это тяжелый режим. Максимальная и газовая защита отключает тр-р от сети при аварийном коротком замыкании.

Опытный режим короткого замыкания – это режим, когда вторичная обмотка накоротко замкнута, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, когда по обмоткам протекает (ток) номинальный ток – это UК – напряжение короткого замыкания.

UK выражается в %

U K% = hello_html_m7859d261.gif

U K% = 5,5 для малых тр-в

U K% = 10,5 для ср. и больших

IV. Закрепление

Фронтальный опрос по пройденной теме.

Учитель. Каково устройство трансформатора?

Сколько чаще всего катушек у трансформатора?

Что такое коэффициент трансформации? Каким он бывает численно?

Какой трансформатор называют повышающим, какой понижающим?

Как рассчитать коэффициент трансформации?

Предложите способ определения числа витков в обмотке трансформатора, не разматывая катушек.

Учащиеся. Намотать поверх одной из обмоток дополнительную обмотку с известным числом витков и измерить напряжение на её концах при подаче на другую обмотку известного напряжения.

Учитель. Можно ли подключить трансформатор к сети постоянного напряжения?

Учащиеся. Нет, трансформатор может сгореть: сопротивление обмотки постоянному току гораздо меньше, чем переменному из-за отсутствия индуктивного сопротивления.

4. Тестовый опрос для проверки усвоения нового материала.

1. Сколько витков должна иметь первичная катушка трансформатора, чтобы повысить напряжение от 10 до 50 В, если во вторичной обмотке 80 витков?

А) 10; Б) 50; В) 16; Г) 400; Д) 80.

2. Трансформатор является повышающим, если коэффициент трансформации его:

А) равен единице; Б) меньше единицы;

В) любой; Г) больше 1.

Д) Среди ответов А–Г нет верного.

3. Сердечник трансформатора набран из отдельных изолированных пластин для:

А) экономии материала;

Б) уменьшения рассеяния магнитного потока;

В) уменьшения энергии на перемагничивание;

Г) уменьшения токов Фуко.

Д) Среди ответов А–Г нет верного.

4. Каково соотношение между напряжением и числом витков в обмотках трансформатора?

А) U1/U2 = N1/N2; Б) U1/U2 = N2/N1;

В) I1/I2 = N1/N2; Г) нет связи.

Д) Среди ответов А–Г нет верного.

5. Первичная катушка трансформатора – это та, что:

А) соединена с потребителем;

Б) соединена с источником;

В) любая;

Г) нет такой.

Д) Среди ответов А–Г нет верного.

V.  Домашнее задание

§ 80-82 стр.172-184 (В.Е.Китаев «Электротехника с основами промышленной электроники»).

VI. Подведение итогов

В заключение характеризую работу группы, отмечаю отличившихся учащихся, выставляю оценки.


Автор
Дата добавления 11.04.2016
Раздел Другое
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров377
Номер материала ДБ-024302
Получить свидетельство о публикации

"Инфоурок" приглашает всех педагогов и детей к участию в самой массовой интернет-олимпиаде «Весна 2017» с рекордно низкой оплатой за одного ученика - всего 45 рублей

В олимпиадах "Инфоурок" лучшие условия для учителей и учеников:

1. невероятно низкий размер орг.взноса — всего 58 рублей, из которых 13 рублей остаётся учителю на компенсацию расходов;
2. подходящие по сложности для большинства учеников задания;
3. призовой фонд 1.000.000 рублей для самых активных учителей;
4. официальные наградные документы для учителей бесплатно(от организатора - ООО "Инфоурок" - имеющего образовательную лицензию и свидетельство СМИ) - при участии от 10 учеников
5. бесплатный доступ ко всем видеоурокам проекта "Инфоурок";
6. легко подать заявку, не нужно отправлять ответы в бумажном виде;
7. родителям всех учеников - благодарственные письма от «Инфоурок».
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://infourok.ru/konkurs


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ


Идёт приём заявок на международный конкурс по математике "Весенний марафон" для учеников 1-11 классов и дошкольников

Уникальность конкурса в преимуществах для учителей и учеников:

1. Задания подходят для учеников с любым уровнем знаний;
2. Бесплатные наградные документы для учителей;
3. Невероятно низкий орг.взнос - всего 38 рублей;
4. Публикация рейтинга классов по итогам конкурса;
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://urokimatematiki.ru

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх