Для характеристики уровня освоения учебного материала используются следующие обозначения:

1. - ознакомительный (узнавание ранее изученных объектов, свойств);

2. - репродуктивный (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством)

3. - продуктивный (планирование и самостоятельное выполнение деятельности, решение проблемных задач)

1.4.3 Общая характеристика темы «Трансформаторы»

На изучение темы «Трансформаторы» отводится 12 часов, из них 6 часов лекционные занятия, 2 часов практические занятия, 4 часов самостоятельная работа..

В процессе изучения темы «Трансформаторы» предусмотрены следующие темы учебных занятий:

v Назначение трансформаторов и применение;

v Устройство и принцип действия трансформатора;

v Схемы и группы соединения обмоток трансформатора

v Режимы работы трансформаторов;

v Потери в трансформаторе и коэффициент полезного действия;

v Потери энергии и КПД трансформаторов;

v Понятие о трехфазных трансформаторах, измерительных трансформаторах, автотрансформаторах и сварочных трансформаторов.

v Лабораторная работа: «Исследование принципа работы однофазного трансформатора».

v Самостоятельная работа обучающихся: работа с конспектом лекций, подготовка доклада, выполнение домашнего задания, подготовка к лабораторной работе , оформление отчетов по лабораторным занятиям, подготовка к их защите.

v Контрольные работы.

.В результате изучения темы «Трансформаторы» обучающиеся будут:

Уметь:

Ш описывать и объяснять результаты наблюдений и экспериментов: преобразование переменного тока при работе трансформатора;

Ш применять полученные знания для решения физических задач;

Ш использовать приобретённые знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для обеспечения безопасности жизнедеятельности;

Ш воспринимать и на основе полученных данных самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сетях (сети Интернета), научно- популярных статьях;

Ш оперировать понятиями;

Ш производить расчеты КПД трансформатора, трансформаторной ЭДС;

Ш производить расчет коэффициент трансформации.

Знать:

Ш Характеристики и параметры электрических и магнитных полей;

Ш понятия: взаимоиндукция, трансформатор;

Ш закон электромагнитной индукции;

Ш устройство и принцип действия трансформатора;

Ш классификацию трансформаторов;

Ш смысл понятий: трансформатор, принцип действия и назначение трансформатора.

Освоение темы «Трансформаторы» будет способствовать формированию профессиональной компетенции «Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования ». Формируемые компетенции:

1.Формирование общих компетенций, включающих в себя способность:

2.Формирование профессиональных компетенций, соответствующим следующим видам деятельности:

2. СТРУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

2.1 Подбор учебного материала

Конспект учебного материала по теме «Трансформаторы».

Нашу жизнь делают проще и интереснее множество электронных устройств, которые окружают нас везде: дома, на работе, на отдыхе. Такие устройства как телевизор, мобильный телефон, компьютер стали нашими неотъемлемыми помощниками. Используя их, мы даже не задумываемся, как они работают, из чего они состоят. А существуют множество составных частей этих устройств, без которых их работа была бы в принципе невозможна. Одной из таких составных частей является трансформатор.

Рисунок 1 -Трансформатор

Трансформатор -- электрический аппарат, имеющий две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Переменный ток -- электрический ток, который с течением времени изменяет свою величину или направление. Это универсальное устройство используется как в аппаратуре, так и является одной из главных составляющих в системе передачи электроэнергии на расстояние. Трудно назвать электронное устройство, где бы не использовался трансформатор.

Назначение трансформаторов

Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство,

предназначенное для преобразования электрической энергии одного напряжения и одной частоты в электрическую энергию другого напряжения той же частоты. Такое преобразование необходимо во всех отраслях промышленности. В частности, в энергетике применение трансформаторов обеспечивает основное преимущество электрической энергии - возможность передачи ее на большие расстояния с минимальными потерями.

При передаче электроэнергии в линии электропередачи возникают потери энергии. Эти потери определяются по формуле:

;

где - ток в линии передачи; - сопротивление проводов линии передачи. Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП : При относительно низком напряжении ток в линии может быть весьма большим. Большой ток в проводах линии электропередачи в соответствии с обусловливает значительные потери.

Основное назначение трансформаторов -- изменять напряжение переменного тока.

Рисунок 2 - Передача и использование электрической энергии

Дальнейшее развитие трансформаторов сводилось к усовершенствованию материала сердечника, что позволило снизить потери и значительно увеличить эффективность трансформаторов.

Рисунок 3-Яблочков Павел Николаевич (1847 - 1894)

Датой же рождения первого трансформатора считается 30 ноября 1876 года, когда русский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником. Ученый, изобретатель Яблочков П. Н. родился 14 сентября 1847, Сердобский уезд Саратовской губернии умер 9 марта 1894, Саратов. Это был стержень с намотанными на него обмотками.

Области применения трансформаторов

Трансформаторы широко применяются для следующих целей:

v Для передачи и распределения электрической энергии;

v Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя. Трансформаторы, применяются для этой цели, называются преобразовательными. Их мощность достигает тысячи киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они работают при частоте 50 Гц и более.

v Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питание электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.

v Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называются измерительными. Они имеют сравнительно большую мощность, определяемую мощность, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.;

v Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т.п.

Устройство и принцип действия трансформатора

Закон электромагнитной индукции Фарадея является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов. Закон гласит: Генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Магнитный поток -- величина, характеризующая число магнитных силовых линий поля, проходящих через замкнутый контур.

На рис. 4 изображена принципиальная схема трансформатора. Каждая обмотка трансформатора размещается на обоих стержнях сердечника так, что половины двух обмоток находятся на левом, а вторые половины - на правом стержне сердечника. При таком расположении обмоток достигается лучшая магнитная связь между ними, благодаря чему снижаются потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе трансформирования энергии. Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, - вторичной. Трансформатор может работать только в цепях переменного тока.

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.

- коэффициент трансформации, он определяет тип трансформатора. Если: k < 1 - Повышающий трансформатор; k > 1 - Понижающий трансформатор . трансформатор электрический энергия

Трансформатор напряжения (ТН) -- одна из разновидностей понижающего трансформатора, предназначенная для безопасного измерения напряжения в высоковольтных сетях (выше 1000В). Вторичная обмотка ТН стандартизировано, обычно 100В напряжение электроустановки, а напряжение первичной обмотки номинальное .

Вторичная обмотка - присоединена к нагрузке. По уровню напряжения обмотки различают: высшая, низшая. Между обмотками нет гальванической связи. ... При этом проводник - первичная обмотка трансформатора тока, а вторичной обмоткой будет являться трансформатор тока, напряжение с которого снимается пропорционально протекающему по проводнику току.

Вторичные обмотки трансформаторов тока изготавливаются путем намотки медных эмальпроводов на тороидальные (реже прямоугольные) магнитопроводы из различных типов магнитных материалов. Каждая вторичная обмотка наматывается на свой магнитопровод. Также в данном процессе возникают токи Фуко под действием изменяющегося во времени (переменного) магнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводах и вторичных обмотках электрических трансформаторов.

Рисунок 4- Принципиальная схема трансформатора

Трансформатор с одинаковым числом витков в обеих обмотках обладает коэффициентом трансформации . Такой трансформатор называют разделительным. Действующее значение ЭДС, возникающее в обмотках трансформатора равно E = 4,44fnФm..Эта формула действительна как для первичной, так и для вторичной обмотки. ( где f - частота, Гц; п - число витков обмоток; Фт - максимальное значение магнитного потока.)

Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора показана на рис. 5. В таком трансформаторе магнитопроводом может быть прямоугольный ферромагнитный сердечник, на котором размещены две электрические обмотки.

Главная часть трансформатора -- ферромагнитный сердечник.

Магнитопровод -это деталь трансформатора, предназначенная для прохождения магнитного потока. Этот поток в сетевом трансформаторе появляется, когда первичную- сетевую обмотку подключаем в сеть 220В,которая имеет синусоидальную форму напряжения. Возле этой катушки образуется электромагнитное поле, магнитная составляющая которого передается магнитопроводом и он становится магнитом, полюса которого изменяются 50 раз север и 50 раз юг за одну секунду. Электромагнитное поле -это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Каждая из обмоток имеет определенное количество витков ( и ), охватывающих стержни магнитопровода. К зажимам вторичной обмотки подключается приемник электроэнергии с сопротивлением . Под действием переменного напряжения источника в первичной обмотке возникает первичный ток . Этот ток, замыкаясь по виткам первичной обмотки, создает переменную магнитодвижущую силу (МДС) в магнитной цепи трансформатора. Под действием МДС возникает переменное магнитное поле.

Положительное направление ЭДС одного витка е соотносится с направлением магнитного потока как обозначено на рис. 5.При этом ее величина определяется скоростью изменения магнитного потока :e =d/dt

Рисунок 5- Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора

Тогда в первичной обмотке с числом витков w1 создается ЭДС индукции , пропорциональная числу витков : , а во вторичной обмотке с числом витков w2 создается ЭДС , пропорциональная числу витков :

Вторичная ЭДС определяет напряжение на зажимах вторичной обмотки , к которой подключен приемник, и ток приемника (вторичный ток) Таким образом, приемник потребляет от трансформатора электрическую энергию. Трансформатор посредством магнитной связи двух обмоток в магнитной цепи преобразует электрическую энергию источника с напряжением в электрическую энергию, отдаваемую приемнику с напряжением . При этом вторичное напряжение: . Для обозначения трансформатора в электрических схемах используют его условное графическое обозначение, показанное на рис. 6 .

Рисунок 6 - Условное графическое обозначение трансформатора в схемах электрических цепей (а - развернутое, б - упрощенное)

Трансформаторы классифицируют по нескольким признакам:

-· по назначению: силовые общего и специального назначения, импульсные, для преобразования частоты и т. д.

-· по числу трансформируемых фаз: однофазные и трехфазные;

-· по виду охлаждения: с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

-· по форме магнитопровода- стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

-· по числу обмоток на фазу: двухобмоточные, многообмоточные.

Классификация трансформаторов может быть представлена схематично:

Рисунок 7 - Схема классификации трансформаторов

Есть еще одно немаловажное понятие , как релейная защита сетей трансформатора - это система, состоящая из измерительных и коммутационных устройств, отключающая трансформатор при ненормальных режимах работы и в случае ситуаций приводящих к повреждению. К ненормальным и опасным режимам работы силового трансформатора относятся: перегрузка по одной или трем фазам, приводящим к повышению тока, проходящего через обмотки .

Схемы и группы соединения обмоток трансформатора

Стандартами установлены условное графическое изображение обмоток, схем их соединения между собой и буквенные обозначения (рис. 9, а, б, в). Начала фазных обмоток ВН трехфазных трансформаторов обозначают прописными латинскими буквами А, В, С, концы -- буквами X, Y, Z. Чередование фаз А, В, С принято считать слева направо, если смотреть на трансформатор со стороны отводов ВН. Начала обмоток НН обозначают строчными латинскими буквами. a, b, с, концы -- буквами, х, у, z. Схемы соединений обозначают знаками и буквами. Приведем примеры буквенного обозначения: Y или У - звезда, Yн или Y0 или Ун или У0- звезда с выведенной нулевой точкой; Д или Д или D - треугольник; Z - зигзаг, Zн или Z0 - зигзаг с выведенной нулевой точкой.

Рисунок 9-Графическое изображение и буквенное обозначение начал и концов фазных обмоток трехфазного трансформатора: а -- обмоток ВН, б -- обмоток СН, в -- обмоток НН

Рисунок 10-Возможные схемы соединения обмоток;

Рисунок 11-Обмотки левой (а) одного из напряжений однофазного трансформатора и правой (б) намоток (а, б, в, г)

Для исключения ошибок обмотки трансформаторов подразделяют по направлению на левые и правые. Левыми называют обмотки, у которых обход витков от начала обмотки идет против часовой стрелки, если смотреть на нее сверху, правыми -- по часовой стрелке (рис. 11).Комбинирование направления намотки обмоток, чередования фаз, последовательности соединения начала и концов обмоток при сборке схем позволяет получить двенадцать групп соединения.

Таблица 1- Схема и группа соединения обмоток однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 12-Соединение фазных обмоток в звезду и векторная диаграмма их напряжений

Рисунок 13- Соединение фазных обмоток в треугольник и векторная диаграмма их напряжений: а -- а--у, b--2, с--х; b -- a--z, b--x, с--

Режимы работы трансформаторов

а) Режим холостого хода - такой режим ,при котором вторичная обмотка разомкнута и ток в этой обмотке не проходит.

б) Рабочий режим - такой режим ,при котором к вторичной обмотке подключена нагрузка (приемник электрической энергии)

в) Режим короткого замыкания - это режим, при котором выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением ,равным нулю.

г) Номинальный режим- в таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с большими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия).

д) Оптимальный режим- в этом режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД.

Потери энергии и КПД трансформаторов

Потери энергии в трансформаторе:

а) нагрев обмоток (джоулево тепло);

б) перемагничивание сердечника;

в) нагрев сердечника токами Фуко;

г) рассеяние магнитного потока.

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Эти потери разделяются на электрические и магнитные:

1)Электрические потери обусловлены нагревом обмоток трансформатора при прохождении по ним электрического тока. Их мощность Рэ равна сумме потерь в первичной обмотке Рэ1 и во вторичной обмотке Рэ2: Рэ = Рэ1+Рэ2.

2)Магнитные потери происходят главным образом в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь - систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Их мощность Рм равна сумме потерь от гистерезиса Рг и от вихревых токов Рв.т. :

Рм = Рг+Рв.т.

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Р2 (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р1 (подводимая мощность):

? = Р2/Р1=Р2/(Р2+Рэ+Рм).

КПД трансформаторов выше, чем электрических машин, что частично объясняется отсутствием механических потерь.

Максимальный КПД силовых трансформаторов достигает 99,5 %. Поэтому определение КПД трансформаторов с достаточной точностью возможно лишь косвенным методом - путем определения потерь по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

Понятие о трехфазных трансформаторах, измерительных трансформаторах, автотрансформаторах и сварочных трансформаторов

Трехфазный трансформатор

Рисунок 14- Трехфазный трансформатор

Для преобразования переменного тока в трехфазных цепях применяются трехфазные трансформаторы , имеющие, как правило, трех стержневой магнитопровод . Трехфазный трансформатор был получен путем объединения трех однофазных, поэтому рабочие процессы в нем протекают также, как в трех однофазных, и для каждой фазы трехфазного трансформатора справедливы уравнения электрического равновесия, векторная диаграмма и схема замещения однофазного трансформатора. При использовании трансформаторов предельной мощности используется трехфазная группа однофазных трансформаторов, т.к. на большую мощность изготовление однофазных трансформаторов технологически проще, хотя при этом расход активных материалов (меди, стали) увеличивается.

Автотрансформатор - это устройство для изменения напряжения переменного тока при сохранении его частоты, основанное на эффекте электромагнитной индукции, которое имеет одну общую обмотку на магнитопроводе и не менее трёх выводов от нее. Если простыми словами, то автотрансформаторы - это разновидность обычных трансформаторов напряжения, в которых есть всего одна обмотка, часть витков которой выполняют функцию первичной обмотки, а часть вторичной.

Так же как и обычные трансформаторы, автотрансформаторы могут быть повышающие и понижающие, однофазные и трехфазные.

Рисунок 15- Автотрансформатор ЛАТР Рисунок 16-Схема понижающего автотрансформатора

Применяются автотрансформаторы чаще всего при необходимости изменить напряжение в небольших пределах при коэффициенте трансформации К = 1,0…1,5 -- при пуске синхронных и асинхронных двигателей, для регулирования напряжения нагревательных печей, в электротермии и в лабораторных установках. Автотрансформаторы применяются также в низковольтных сетях в качестве лабораторных регуляторов напряжения (ЛАТР). В таких автотрансформаторах регулирование напряжения осуществляется при перемещении скользящего контакта по виткам обмотки.

Сварочный трансформатор -- трансформатор, предназначенный для различных видов сварки.

Рисунок 16-Сварочный трансформатор

Сварочный трансформатор с регулированием напряжения при помощи изменения величины зазора между катушками. Такой трансформатор преобразует напряжение сети (220 или 380 В) в низкое напряжение, а ток из низкого - в высокий, до тысяч ампер.

Для плавки металла необходимо настроить в нужных значениях параметры потребляемого сетевого тока. В сварочном оборудовании изменяются основные его значения: понижается напряжение и возрастает

сила тока. Сварка металлических заготовок была бы невозможна без основных комплектующих, которые входят в состав даже самого простого сварочного трансформатора.

Измерительный трансформатор - электрический трансформатор, предназначенный для измерения и контроля (например, в системах релейной защиты сетей) напряжения, тока или фазы электрического сигнала переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) в контролируемой цепи.

Измерительные трансформаторы применяются для расширения пределов измерения токов и напряжений в схемах переменного тока. Кроме того, они позволяют изолировать измерительные приборы от сети, в которой производится измерение. Различают измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Трансформатор тока понижает величину измеряемого тока. Его первичная обмотка состоит из одного или нескольких витков провода большого сечения и включается последовательно в цепь, ток который необходимо измерить.

Первичная обмотка трансформатора - это часть устройства, к которой подводится преобразуемый переменный ток. Определить, где первичная, а где вторичная обмотка трансформатора, важно при использовании устройств без заводской маркировки и самодельных катушек. Вторичная обмотка наматывается из большого числа витков сравнительно малого сечения и замыкается на приборы с малым сопротивлением -- амперметры, последовательные обмотки ваттметров, фазометров и т.п. Вторичная обмотка трансформатора - обмотка, на которой происходит съем электрической энергии с требуемыми параметрами. При подаче питающего напряжения на первичную обмотку в ней проходит ток, который создает переменное электромагнитное поле в магнитопроводе.

Трансформаторы напряжения используются для включения вольтметров, частотомеров и параллельных цепей ваттметров, счетчиков и других приборов, имеющих большое сопротивление.

Устройство, конструкция и рабочий процесс

однофазного трансформатора

Любой однофазный трансформатор может работать только в цепях переменного тока. За счёт него полученное электрическое напряжение изменяется в нужную величину. Ток, полученный таким способом, повышается, в результате того, что мощность отдаётся в действительности без потерь.

Рисунок 17- Конструкция однофазного трансформатора

С этого и следует вывод, что основное использование такого прибора -вывести необходимое для решения задачи напряжение, после чего можно применять в определённых целях. Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. Действие названо законом электромагнитной индукции, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате обоснования закона учёный создал общую теорию, используемую в работе огромного числа современных электрических приборов. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в сердечнике (магнитопроводе) переменный магнитный поток. Замыкаясь в сердечнике, этот поток сцепляется с первичной и вторичной обмотками и индуцирует в них ЭДС, пропорциональные числу витков W.

Рисунок 18- Принципиальная схема однофазного трансформатора

На схемах трансформаторов обычно применяют плюсовые направления всех значений, которые характеризуют процессы работы. Исходит это из того, что первичная катушка -- это приемник энергии, а вторичная -- источник.

Обычный однофазный прибор представляет собой замкнутый сердечник из ферримагнитного вещества, который обматывают первичной и вторичной катушками. Для снижения токов вихревого типа сердечник делают из тонких (пол- миллиметра) слоев специальной стали.Работа этого прибора заключается в следовании законам электромагнетизма. Во время подключения первой обмотки к питанию по ней начинает идти переменный ток, создающий в ферримагнитном сердечнике магнитные токи переменного знака. Когда этот поток замыкается в сердечнике, то он сцепляет первичную и вторичную катушки и производит в них электродвижущую силу, которая пропорциональна количеству витков катушки. Когда по первичной катушке проходит ток, он создает с ее помощью магнитное поле, пронизывающее не только эту обмотку, но и вторичную.