Замкнутый стальной сердечник, состоящий из отдельных пластин

Тема урока: Трансформаторы. Решение задач.

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производит­ся же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и водных ресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток вызывает их нагревание

Как бы вы предложили решить данную проблему?

1) При помощи увеличения размеров поперечного сечения проводника увеличить передаваемое напряжение, при этом уменьшая его сопротивление ().

Данное решение проблемы является невыгодным, так как требуются огромные затраты для изготовления нового кабеля и опор.

2) Необходимо уменьшить силу передаваемого тока при условии постоянного значения мощности.

Осуществить это можно при помощи прибора, который называется трансформатор.

Немного истории…

Много лет назад это неприметное устройство позволило осуществить на практике распределение электроэнергии.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, которое легло в основу работы трансформатора. В этом же году появилось его схематическое изображение.

В 1848 году французским механиком Г.Румкорфом была изобретена индукционная катушка – прообраз трансформатора.

Яблочков Павел Николаевич в 1878 году использовал трансформатор для питания «электрических свечей» - нового в то время источника уличного света. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник.

Идея Яблочкова была развита сотрудником Московского университета Усагиным Иваном Филлиповичем.

Летом 1882 года на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве И. Ф. Усагин продемонстрировал своё изобретение — трансформатор промышленного типа, который значительно отличался от трансформатора П. Н. Яблочкова. Это была индукционная катушка оригинальной конструкции, позволяющая включать в цепь несколько источников света. При помощи трансформатора Усагина был освещён павильон электричества промышленно-художественной выставки. Своё изобретение Усагин называл «вторичным генератором».

В 1884 году в Англии братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами был создан первый трансформатор с замкнутым сердечником.

В конце 1880-х инженером Д. Свинберном было изобретено масляное охлаждение трансформатора – это повысило надежность и долговечность его обмоток.

В 1889 году русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский вместе с предложенной им трехфазной системой переменного тока создал первый трехфазный трансформатор.

Трансформатор – это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока, при котором напряжение уменьшается или увеличивается в несколько раз практически без потерь мощности

А теперь познакомимся с устройством трансформатора.

Замкнутый стальной сердечник, состоящий из отдельных пластин.

Вопрос: Для чего сердечник изготавливают из пластин?

Сердечник нагревается в результате перемагничивания и возникновения в нём индукционных токов. Изготовление его из тонких стальных листов, изолированных друг от друга, приводит к значительному увеличению электрического сопротивления и уменьшению потерь на нагревание.

1) Катушки с проволочными обмотками  - две, иногда более;

1– первичная – подключается к источнику переменного напряжения, 2- вторичная - к потребителю

Обозначение трансформатора в цепи:

 

 

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Трансформатор на холостом ходу – работа при разомкнутой цепи вторичной обмотке:

Мгновенное значение э.д.с. индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:  Если Ф = Ф₀ соsωt, то е^´ = ω Ф₀ sinωt, или е = E₀ sinωt, где E₀ = ω Ф₀ - амплитуда э.д.с. в одном витке.В первичной обмотке, имеющей п₁ витков, полная ЭДС индук­ции e₁ равна п₁е., во вторичной обмотке полная ЭДС е₂ равна п₂е, где п₂ - чис­ло витков этой обмотки.Отсюда следует, что      Сумма напряжения u₁, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e₁ должна равняться падению напряжения в первичной обмотке: u₁ + e₁ = i₁ R₁, где   R₁ - активное сопротивление обмотки, а i₁ -сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего урав­нения. Обычно активное сопротивле­ние обмотки мало и произведением i₁ R₁ можно пре­небречь. Поэтому u₁ ≈ - e₁. (2)При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение u₂ ≈ - e₂     (3)                 Так как мгновенные значения электродвижущих сил e₁ и e₂ изменяются синфазно, то их отношение в формуле можно заменить отношением дей­ствующих значений E₁ и E₂ этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений U:

 

k – коэффициент трансформации. 

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

Нагруженный трансформатор При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u₂ ≈ - e₂ уже не выполняется точно, и соответ­ственно связь между U ₁ и U ₂ становится более сложной.Согласно закону сохранения энергии мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи , ; где I₁ и I₂ — действующие значения силы в первичной и вто­ричной обмотках.

поэтому, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

Существует два типа трансформаторов: бытовые и силовые

Бытовые используют в источниках питания различных электроприборов, технологических и медицинских рентгеновских установках, электропечах, плазменных и лазерных установках, устройствах радиолокации и электроники.

В бытовой технике используют понижающие трансформаторы.

Силовые трансформаторы используют в линиях электропередач.

 Мощные трансформаторы помещают в бак, заполненный охлаждающим маслом.

Трансформаторы бывают:

1) Разделительные - используются для обеспечения электрической безопасности приборами бытового и промышленного назначения. Рекомендуется подключать оборудование через разделительный трансформатор в случае отстутствия надёжного заземления, при работе на открытом воздухе, в помещениях с повышенной влажностью, при контакте электроприбора с водой и металлами.В данных условиях возможна опасность поражения электрическим током при повреждении изоляции электроприбора. Данные трансформаторы обеспечивают безопасность работы с электрооборудованием.

2) Измерительные - используют для измерения очень больших, очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях.

Приложение 1