Трансформатор физика – Трансформатор,понижение, повышение переменного напряжения. Режимы работы, передача электроэнергии. Тесты онлайн, курсы по физике, подготовка к ЦТ

Трансформаторы — Класс!ная физика

Трансформаторы

Трансформаторы — это просто!

«Физика — 11 класс»

Назначение трансформаторов

Трансформатором называется электротехнические устройства с помощью которого осуществляется преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности.

Впервые подобные устройства были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света.

Позднее эти устройства получили название трансфораторов.

Трансформатор Яблочкова состоял из двух цилиндрических катушек, надетых на стальной стержень, собранный из отдельных проволок.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками.
Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.
Условное обозначение трансформатора на электрических схемах

Трансформатор на холостом ходу

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции, открытым Майклом Фарадеем в 1831 году.

Явление электромагнитной индукции: при изменении тока в цепи первой катушки во второй катушке, расположенной рядом, возникает электрический ток.

При питании катушки от источника постоянного тока ток во второй катушке существует только в моменты изменения тока в первой катушке, а на практике — при замыкании и размыкании цепи первой катушки.

Для длительного существования тока необходио непрерывно изменять ток в первой катушке. А это возможно, если соединить ее с источником переменного напряжения. При синусоидальном характере тока в первой катушке ток во второй катушке будет также синусоидальным.

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС индукции в витках каждой обмотки.
Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково.

Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

е = -Ф’

где
Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

В первичной обмотке, имеющей N1 витков, полная ЭДС индукции

e1 = N1e

Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции

e2 = N2e

где
N2 — число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь.

В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции:

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение

Мгновенные значения ЭДС e1 и e2 изменяются синфазно, т.е. одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль.

Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений ЭДС и напряжений

Отношение напряжений на обмотках при работе трансформатора на холостом ходу (без нагрузки) называется коэффициентом трансформацииК.

Трансформаторы используются как для повышения напряжения, так и для понижения, т.е. могут быть повышающими и понижающими.

Если К>1, то трансформатор является понижающим,

если К, то трансформатор — повышающий.

Работа нагруженного трансформатора

Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, т.е. нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю.

Появившийся ток создаст в сердечнике свой переменный магнитный поток, который будет уменьшать изменения магнитного потока в сердечнике.

Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока не произойдет, так как

Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличится сила тока в первичной обмотке.

Его амплитуда возрастет таким образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока.

Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой.

При подключении нагрузки ко вторичной цепи КПД трансформатора близок к 100%.

Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи:

При повышении с помощью трансформатора напряжения в несколько раз, сила тока во столько же раз уменьшается (и наоборот).

Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение примерно одинаково в первичной и вторичной обмотках

Чтобы уменььшить нагревание сердечника, его собирают из отдельных стальных пластин, которые изолируются друг от друга бумагой, лаком или окисью металла сердечника.

В трансформаторах малой мощности применяют круглые тороидальные сердечники из стальных колец или стальной ленты.

Для повышения КПД в трансформаторах обмотки высокого и низкого напряжения располагают на одних и тех же стержнях.

В радиотехнике обмотки часто наматываются на средний стерженьь.

При работе трансформатора обмотки нагреваются, для их охлаждения мощные трансформаторы помещают даже в баки с жидким маслом (масляные трансформаторы).

Трансформаторы широко используют в радиоаппаратуре, а также для передачи электроэнергии на большие расстояния в линиях электропередач, для этого строятся трансформаторные подстанции.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Производство, передача и использование электрической энергии. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика


Генерирование электрической энергии —
Трансформаторы —
Производство, передача и использование электрической энергии

class-fizika.ru

Урок по физике в 11-м классе по теме: «Трансформатор»

Разделы:
Физика


Цели:

  • изучить назначение, устройство и принцип
    действия трансформатора;
  • совершенствовать интеллектуальные способности
    и мыслительную деятельность учащихся,
    коммуникативные свойства речи;
  • формировать материалистическое мировоззрение
    и нравственные качества личности.

Оборудование: трансформатор, катушка
с сердечником, кольцо алюминиевое, звонок,
таблицы, карточки, магнитопровод.


Демонстрации: работа трансформатора
на холостом ходу, работа трансформатора с
нагрузкой, явление электромагнитной индукции.


Ученик 1.


Я еще не устал удивляться

Чудесам, что есть на Земле:

Телевизору, голосу раций,

Вентилятору на столе.

Самолеты летят сквозь тучи,

Как до этих вещей могучих

Домечтаться люди могли?

Я вверяю себя трамваю,

Я гляжу на экран кино,

Эту технику понимая,

Изумляюсь ей все равно.

Ток по проволоке струится,

Спутник ходит по небесам.

Человеку стоит дивиться

Человеческим чудесам!!!

Все известно вокруг

Тем не менее,

На Земле еще много того,

Что достойно порой удивления

Твоего, и моего.


(Это стихи Шефрана о создании человеческого
разума, а в основе их лежат законы физики.)


Учитель. Любому открытию сопутствует
опыт, талант открывателя и даже случай. Если
человек своим трудолюбием, упорством достигает
истины в чем-либо, то это и есть открытие.На
сегодняшнем уроке мы также попытаемся совершить
небольшое открытие.




Ученик 2. 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 свое
направление 100-120 раз в секунду. В России частота
переменного тока 50 Гц.

Логично предположить, что переменный ток, имеет
какие то преимущества перед постоянным. Разные
потребители электрического тока рассчитаны на
разные напряжения. Так, большинство
электробытовых приборов рассчитано на
напряжение 27 и 220 В., промышленные
электродвигатели на 200, 360 и 600 в.

Электрический ток никогда не получил бы такого
широкого применения, если бы его нельзя было
преобразовывать почти без потерь энергии.

ЭДС мощных генераторов электростанций довольно
велика. При передаче электроэнергии
используется напряжение в сотни киловатт. Между
тем на практике чаще всего нужно не слишком
высокое напряжение. Преобразование переменного
тока, при котором напряжение увеличивается или
уменьшается в несколько раз практически без
потери мощности ( при неизменной частоте тока),
осуществляется с помощью трансформаторов.

Трансформатор преобразует переменный ток так: , P и v
не изменяются.Первый трансформатор был
изобретен в 1878 году русским ученым П.Н.Яблочковым
и усовершенствован в 1882 году другим русским
ученым И.Ф.Усагиным.




Ученик 3. Биография П.Н. Яблочкова. (Рис.
2)



Рис. 2


Павел Николаевич Яблочков родился в 1847 году в
семье мелкопоместного дворянина. Электротехник,
изобретатель и предприниматель. Получил
образование военного инженера, окончив в 1866 году
Николаевское инженерное училище. Стал сапером,
но вскоре вышел в отставку. Отставной поручик
увлекался электротехникой. Изучать эту область
техники можно было в Офицерских гальванических
классах в Петербурге. Яблочков, вновь одевает
военную форму и работает над проблемами,
связанными с применением электричества в
военном и гражданском деле. Он окончательно
вышел в отставку и в 1873 году был назначен
начальником телеграфной службы
Московско-Курской железной дороги. Он
организовал мастерскую, где проводил работы по
электротехнике, которые легли в основу его
изобретений в области электрического освещения,
электрических машин, гальванических элементов и
аккумуляторов.

К 1875 году относится одно из главных изобретений
П.Н.Яблочкова – электрическая свеча, первая
модель дуговой лампы. Идея создать электрическое
освещение увлекла Яблочкова настолько, что он
бросает работу и на свои скромные сбережения
открывает в Москве лабораторию, где проводит
работы по электротехнике. В 1878 году в Париже
вскоре он пришел еще к одному гениальному
решению: стал питать »русский свет» переменным
током так, как это происходит и сегодня, изобрел
трансформатор. В 1879 году Яблочков организовал
»Товарищество электрического освещения» и
электромеханический завод. В последние годы
жизни Яблочков работал над созданием
генераторов электрического тока, гальванических
элементов. Был одним из инициаторов создания
журнала »Электричество».

В историю отечественной науки П.Н.Яблочков вошел,
как автор »свечи Яблочкова», »русского света»,
»северного света», изобретатель трансформатора.
Умер П.Н.Яблочков в 1894 году.


Ученик 4. Устройство трансформатора.



Рис. 3


Трансформатор состоит: из замкнутого
сердечника, изготовленного из специальной
листовой трансформаторной стали. На нем
располагаются две катушки с различным числом
витков из медной проволоки. Одна из обмоток,
называется первичной, она подключается к
источнику переменного напряжения. Устройства,
потребляющие электроэнергию, подключаются к
вторичной обмотке, их может быть
несколько.Принцип действия трансформатора.
Принцип действия основан на законе
электромагнитной индукции. При прохождении
переменного тока по первичной обмотке в
сердечнике возникает переменный магнитный
поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой
обмотке. Магнитное поле концентрируется внутри
сердечника и одинаково во всех его сечениях.
Мгновенное значение индукции Ei в любом витке и
первичной, и вторичной обмоток одинаково: Е1
= Е2


Потери энергии при работе трансформатора:

  • на нагревание обмоток;
  • на рассеивание магнитного потока в
    пространство;
  • на вихревые токи в сердечнике и на его
    перемагничивание.

Меры, принимаемые для уменьшения потерь:

  • обмотка низкого напряжения делается большого
    сечения так, как по ней протекает ток большой
    силы;
  • сердечник делают замкнутым, чтобы уменьшить
    рассеяние магнитного потока;
  • сердечник делают пластинчатым, чтобы уменьшить
    вихревые токи.

Благодаря этим мерам КПД современных
трансформаторов достигает 95-99%.

Это означает, что практически вся энергия тока,
проходящего по первичной обмотке
трансформатора, превращается в энергию
индукционного тока, возникающего во вторичной
обмотке. Поскольку каждый виток первичной и
вторичной обмоток пронизывает один и тот же
магнитный поток, то в них возникают одинаковые
ЭДС , равные по закону Фарадея для
электромагнитной индукции, то:


е1 = е2 = – Ф’


ЭДС Е1 и Е2 действующие во всей
первичной или вторичной обмотках, равны
произведению ЭДС в одном витке е1 или е2
на число витков в обмотке N1 и N2


Е1 = е1• N1

Е2 = е2• N2


Вывод: ЭДС, действующие в обмотках, прямо
пропорциональны числу витков в них.



Сила тока в первичной обмотке трансформатора
во столько раз больше силы тока во вторичной
обмотке, во сколько раз напряжение в ней больше
напряжения в первичной обмотке:



Если пренебречь падением напряжения на
сопротивлениях обмоток, когда сопротивления
малы, то можно записать отношение и для
напряжений на обмотках трансформатора



Учитель: Для анализа электромагнитных
процессов, происходящих в трансформаторе,
рассмотрим два режима его работы.




Работа трансформатора на холостом ходу



Рис. 4


Если первичную обмотку подключить к источнику
переменного напряжения, а вторичную оставить
разомкнутой, (этот режим трансформатора называют
холостым ходом), то тока в ней не будет, а в
первичной обмотке появится слабый ток, создающий
в сердечнике переменный магнитный поток. Этот
поток наводит в каждом витке обмоток одинаковую
ЭДС, поэтому ЭДС индукции в каждой обмотке будет
прямо пропорциональна числу витков в этой
обмотке.


Е ~ N


При разомкнутой вторичной обмотке напряжение
на ее зажимах U2 будет равно наводимой в ней
ЭДС Е2.


U2 Е2


В первичной обмотке ЭДС Е1 по числовому
значению мало отличается от подводимого к этой
обмотке напряжения U1, практически их можно
считать равными.


U1 Е1


Величина, показывающая, во сколько раз данный
трансформатор изменяет напряжение переменного
тока, называется коэффициентом трансформации.


При подаче на первичную обмотку трансформатора
какого-либо напряжения U1 на вторичной
обмотке мы получаем на выходе U2. Оно будет
больше первичного, если обмотка содержит больше
витков, чем первичная.


Итак, если N2 > N1, то U2 > U1,
коэффициент трансформации k < 1 и
трансформатор называется повышающим.




Если N2 < N1 и U2 < U1, то
k > 1 и трансформатор называется
понижающим.


Эти формулы справедливы, если ни первичная, ни
вторичная обмотки не содержат активного
сопротивления R. Первичная обмотка, как правило,
не содержит такого сопротивления, а вторая
обмотка может его содержать. Если она все же не
содержит сопротивления или им можно пренебречь,
то напряжение на выходе такой обмотки равно
напряжению U2.


Когда вторичная обмотка трансформатора не
имеет сопротивления R2 = 0, то кпд = 100%


Апол = А затр, тогда U1 I1 t = U2 I2
t и U1 I1 = U2 I2 , то Р1
= Р2


и


следует, что



Работа трансформатора с нагрузкой. Если во
вторичную цепь трансформатора включить
нагрузку, то во вторичной обмотке возникает ток.
Этот ток создает магнитный поток, который
согласно правилу Ленца, должен уменьшить
изменение магнитного потока в сердечнике, что в
свою очередь, приведет к уменьшению ЭДС индукции
в первичной обмотке, поэтому ток в первичной
обмотке должен возрасти, восстанавливая
начальное изменение магнитного потока. При этом
увеличивается мощность, потребляемая
трансформатором от сети. (Рис.5).



Рис. 5


Если же вторичная обмотка трансформатора имеет
сопротивление вторичной обмотки R2
(говорится о длине проводников из которых
изготовлена обмотка, или о материале проводника,
или о сечении и диаметре проводов обмотки), то на
выходе вторичной обмотки напряжение U2
будет меньше расчетного напряжения U2 на
величину падения напряжения U = I2 • R2 на этом
сопротивлении из-за потерь энергии тока на
джоулево тепло. На выход (на нагрузку) Rн »пойдет»
меньшее напряжение:


U2 = U2 – U = U2
– I2 • R2


Потери напряжения U находят по закону Ома для участка
цепи: U = I2
• R2, откуа


(отмечаем, что такой же ток течет и в нагрузке Rн,
так как R2 и Rн соединены последовательно).


Напряжение на нагрузке по закону Ома для
участка цепи сопротивлением , тогда


Учитывая, что можем всегда найти нужную величину
напряжения или силы тока, количество витков в
катушках.


 ,
где Ап = U2• I2 • t ; Аз = U1 • I1
• t , то




Использование трансформаторов. Трансформаторы
используются в технике и могут быть устроены
очень сложно, однако незыблемым остается принцип
их действия: » изменяющееся магнитное поле,
созданное переменным током в первичной обмотке,
пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в
ней переменный ток той же частоты, но другого
напряжения». В современных мощных
трансформаторах суммарные потери энергии не
превышают 2–3%.

  • на заводах и фабриках при подаче напряжения к
    двигателям станков 380–660 В.
  • при передаче электроэнергии по проводам от 100 до
    1000В;
  • для электросварки и электроплавки;
  • в радиотехнике; и др.

Решение задач


Задача 1. Как, вы думаете, что будет, если
первичную обмотку подключить к источнику
постоянного тока?


Ответ: В этом случае трансформатор сгорит,
так как первичная обмотка обычно имеет ничтожно
малое сопротивление, и поэтому произойдет
короткое замыкание.


Задача 2. Если сопротивление первичной
обмотки, подключенной к источнику постоянного
тока велико, то изменится ли напряжение во
вторичной обмотке?


Ответ: Никакого изменения напряжения этот
трансформатор дать не сможет из-за отсутствия
явления электромагнитной индукции. Если такой
трансформатор подключить к источнику
постоянного тока, то ток пойдет по первичной
обмотке и вокруг нее возникает магнитное поле,
которое будет пронизывать вторичную обмотку. Т.е.
магнитный поток вторичную обмотку будет
пересекать, но он будет постоянным и значит
скорость его изменения Ф’ = 0, поэтому ЭДС индукции
во вторичной обмотке Е2 = 0.


Задача 3. Сколько витков должна иметь
вторичная обмотка трансформатора, чтобы
повысить напряжение с 220 до 11000В, если в первичной
обмотке 20 витков? Каков коэффициент
трансформации?


Задача 4. Под каким напряжением
находится первичная обмотка трансформатора,
имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500
витков и напряжение 105В?


Задача 5. Мощность, потребляемая
трансформатором, 90 Вт. Определите силу тока во
вторичной обмотке, если напряжение на зажимах
вторичной обмотки 12 В и КПД трансформатора 75%.


Задача 6. Первичная обмотка понижающего
трансформатора включена в сеть напряжением 220 В.
Напряжение на зажимах вторичной обмотки 20В, ее
сопротивление 1 Ом, сила тока 2А. Определите
коэффициент трансформации и КПД трансформатора.


Задача 7. Первичная обмотка
трансформатора, включенного в цепь переменного
тока с напряжением 220 В, имеет 1500 витков.
Определить число витков во вторичной обмотке,
если она должна питать цепь с напряжением 6,3В, при
силе тока 0,5 А


Нагрузка активная. Сопротивление вторичной
обмотки равно 0,2 Ом.


Сопротивлением первичной обмотки пренебречь.


Задача 8. Первичная обмотка понижающего
трансформатора с коэффициентом трансформации к =
10 включена в сеть переменного тока с напряжением
U1 = 120 В.Сопротивление вторичной обмотки R2
= 1,2 Ом, ток в ней  I2 = 5А. Найти напряжение
на нагрузке трансформатора и сопротивление
нагрузки. Найти число витков во Вторичной
обмотке, если первичная обмотка содержит 10000
витков. Чему равен кпд этого трансформатора.





Дано:Решение:
k = 10

U1 = 120 B

R2=1,2Ом

J2 = 5A

N1=10 000

U2 = ?

N2 = ?

Rн = ?
кпд = ?
U = ?
Зная коэффициент трансформации
трансформатора k, найдем число витков во
вторичной обмотке N2 “k” показывает, во
сколько раз наш понижающий трансформатор
уменьшает напряжение то == 12 В

Напряжение в обмотках прямо
пропорционально числу витков в них откуда N2
=
(витков), так как вторичная обмотка
трансформатора имеет сопротивление обмотки R2,
то на выход Rн пойдет напряжение U2 U2=
U2
U
= U2
J2R2, где U падение
напряжения из-за на R2 потерь энергии на
джоулево тепло.

По закону Ома J2=, откуда U = J2R2 =
5A.1,2Ом = 6(B) U2‘ = (12
6)B = 6(B)


R2 и RH соединены
последовательно, то J2=JH

по закону Ома для участка цепи сопротивления RH:

J2 = =>RH == = 1,2 (Ом)

Работа тока на зажимах вторичной обмотки Aпол
=

Работа тока в первичной обмотке Аз = U1, где

КПД трансформатора КПД =

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

Трансформаторы: устройство и работа трансформаторов

 

Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.

Трансформаторы

Для преобразования напряжения используются устройства, называемы трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.

Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.

картинка

Устройство и работа трансформатора

Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.

Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию. 

На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.

картинка

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.

В первичной обмотке трансформатора имеется N1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e1 = N1*e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.

Во вторичной обмотке имеется N2 витков. В ней индуцируется ЭДС e2 = N2*e.

Следовательно: 

e1/e2 = N1/N2.

Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю:

|u1|≈|e1|.

При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно:

|u2|=|e2|.

Мгновенные значения ЭДС e1, e2 колеблются в одной фазе. Их отношение можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E1 и E2. А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями напряжения. Получим:

E1/E2 ≈U1/U2 ≈N1/N2 = K

К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K<0 – трансформатор понижает напряжение. Если же к концам вторичной обмотки подключить нагрузку, то во второй цепи появится переменный ток, который вызовет появление в сердечнике еще одного магнитного потока.

Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула:

U1/U2 ≈ I2/I1.

То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока.

Нужна помощь в учебе?



Предыдущая тема: Генерирование электрической энергии: принцип действия генераторов
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspПроизводство и использование электрической энергии: передача электроэнергии

Все неприличные комментарии будут удаляться.

www.nado5.ru

Реферат — Трансформаторы — Физика

Федеральное агентство по образованию

Рязанский Государственный Радиотехнический Университет

Контрольная работа

по предмету

«Электротехника»

на тему

«Трансформаторы»

Выполнил:

Ст. гр. 8046

Большаков М.Б.

Проверил:

Рязань, 2009

План

Введение

Общее устройство трансформаторов

Классификация трансформаторов

Конструктивные особенности некоторых видов трансформаторов

Виды трансформаторов

Расчет сетевого (силового) трансформатора

Практическое применение трансформатора

Список используемой литературы

Введение

Одним из главных положительных особенностей переменного тока является легкость преобразования переменного тока одного напряжение в переменный ток другого. Этот процесс осуществляется при помощи устройства под названием трансформатор.

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Изобретателем трансформатора является русский ученый П.Н.Яблочков. В 1876г. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником, подобные применяемым в настоящее время, появились значительно позднее, в 1884г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого времени не применялся.

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

Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки – вторичными.

Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение.

Применив трансформатор с обратным соотношением витков, можно так же легко и просто получить пониженное напряжение.

С допустимой для практики точностью можно считать, что отношение числа витков первичной обмотки к вторичной равно отношению приложенного напряжения к выходному.

Это отношение, называемое коэффициентом трансформации, обычно сокращают на меньшее из чисел, и тогда коэффициент трансформации получают в виде отношения единицы к некоторому числу (1:4; 1:50) или, наоборот, некоторого числа к единице (4:1; 50:1).

В радиоаппаратуре трансформаторы используются в первую очередь в питающих устройствах, позволяющих питать приемники от осветительной сети переменного тока. Такие трансформаторы называются силовыми. Кроме того, трансформаторы используются для понижения и повышения напряжения различной частоты в усилителях и радиоприемниках. Для низких (звуковых) частот эти трансформаторы изготовляются с сердечниками из листовой стали. Для токов сравнительно высокой частоты трансформаторы, как и катушки индуктивности, делаются или совсем без стальных сердечников или с сердечниками из магнетита, альсифера, карбонильного железа и других специальных металлов.

Общее устройство трансформаторов

Общее устройство трансформатора видно из представленного рисунка – это магнитопровод, набранный из отдельных пластин; обмотки, выполненные проводом; каркас из изоляционного материала, на котором намотаны обмотки.

Рисунок 1. Общее устройство трансформатора

Трансформатор, входящий в состав выпрямителя и предназначенный для питания лампового радиоприёмника, имеет следующие обмотки:

первичную, включаемую в сеть;

вторичную повышающую, дающую выпрямляемое напряжение;

вторичную понижающую, дающую напряжение для накала кенотрона;

вторичную понижающую, дающую напряжение для накала усилительных ламп радиоприёмника.

Иногда между первичной и вторичной обмотками помещается ещё экранная обмотка, предназначенная для защиты приемника от проникновения в него из сети всевозможных помех. Один конец этой обмотки заземляется, а другой изолирован и никуда не включается.

Первичная обмотка делается из нескольких секций, позволяющих включать трансформатор в сеть с различным напряжением.

Напряжение сети нередко колеблется под влиянием изменения нагрузки. Днем оно бывает нормальным, например 220 В, а вечером падает до 180-190 В, ночью и ранним утром повышается до 230-240 В. В таких случаях первичную обмотку иногда разбивают на ещё более мелкие секции (делают отводы, рассчитанные на напряжение 90, 100, 110, 120, 130, 180, 200, 220 и 240 В). Такая секционированная первичная обмотка позволяет подключать к сети количество витков, соответствующее фактическому напряжению, и таким образом обеспечивает нормальные напряжения для работы приемника.

Если от сети с колеблющимся напряжением питается радиоприемник или какое-либо другое радиоустройство, трансформатор которого не имеет подобных мелкосекционированных обмоток, приходится прибегать к помощи автотрансформатора. Последний специально изготовляется с большим числом отводов, переключая которые можно регулировать напряжение, подводимое к приемнику.

Вторичная повышающая обмотка силового трансформатора при однополупериодном выпрямлении состоит из одной секции без всяких отводов, а при двухполупериодном выпрямлении она рассчитывается на вдвое большее напряжение и имеет отвод от средней точки.

На качество изготовления вторичной обмотки должно быть обращено особое внимание, так как в ней получаются высокие напряжения. Для получения хорошего сглаженного тока при двухполупериодном выпрямлении обе половины повышающей обмотки должны быть совершено одинаковы. Поэтому их лучше наматывать не одну поверх другой, а располагать в соседних секциях каркаса.

Накальные обмотки трансформаторов наматываются из относительно толстого провода (1-2 мм). Обмотка накала кенотрона в схеме выпрямителя соединена с плюсом высокого напряжения, поэтому она должна быть особенно тщательно изолирована от сердечника трансформатора, других его обмоток и экрана.

Все обмотки трансформатора для лучшего использования его объема и для предохранения от пробоя изоляции проводов следует наматывать аккуратно, виток к витку. Слои обмоток нужно отделить один от другого тонкой пропарафинированной бумагой, а между обмотками прокладывать слой изолировочной ленты, тонкого электрокартона или два-три слоя лакоткани (специально изоляционной ткани, пропитанной лаком).

Чтобы крайние витки сползали в щель между щечкой каркаса и краем обмотки и верхние витки не касались нижних, находящихся под большим напряжением один относительно другого, прокладки следует делать на 6-8 мм шире длины каркаса, а края этой прокладки надрезаны и загнуты.

Каркас для намотки трансформатора обычно изготовляется из специального электрокартона или обычного плотного картона. Размеры каркаса определяются размерами стального сердечника трансформатора.

Сердечник трансформатора для уменьшения в нем вихревых токов изготовляется из тонких листов (0,35-0,5 мм)специальное трансформаторной стали. Каждая пластина трансформатора с одной стороны оклеивается тонкой папиросной бумагой или покрывается слоем изолирующего лака. Используемые в настоящее время трансформаторные пластины чаще всего имеют Ш-образную форму. Применяются также пластины Г-образной формы.

Рисунок 2. Виды пластин в сердечнике трансформатора

После намотки трансформатора каркас должен быть возможно плотнее заполнен трансформаторной сталью. Набивать силовой трансформатор надо вперекрышку: на то место, где был стык пластин, следующие пластины класть сплошной частью. Все пластины кладутся изолированной поверхностью в одну сторону.

Пластины трансформатора должны быть туго стянуты болтами, проходящими через специальные отверстия. Если пластины не имеют отверстий, они стягиваются при помощи стальных обжимок или деревянных брусочков.

—PAGE_BREAK—

Классификация трансформаторов

Трансформаторы можно классифицировать по признаку функционального назначения как: трансформаторы питания и трансформаторы согласования.

Рассмотрим трансформаторы питания, их можно классифицировать

По напряжению:

низковольтные

высоковольтные

высокопотенциальные

В зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения

однофазные

трёхфазные

В зависимости от числа обмоток

двухобмоточные

многообмоточные

В зависимости от конфигурации магнитопровода

стержневые

броневые

тороидальные

В зависимости от мощности

малой мощности

средней мощности

большой мощности

В зависимости от способа изготовления магнитопровода

пластинчатые

ленточные

В зависимости от коэффициента трансформации:

повышающие

понижающие

В зависимости от вида связи между обмотками:

с электромагнитной связью (с изолированными обмотками)

с электромагнитной и электрической связью(со связанными обмоками)

В зависимости от конструкции обмотки:

катушечные

галетные

тороидальные

В зависимости от конструкции всего трансформатора

открытые

капсулированные

закрытые

В зависимости от назначения:

выпрямительные

накальные

анодно-накальные и т.д.

В зависимости от рабочей частоты трансформаторы делят на трансформаторы:

пониженной частоты (менее 50 Гц)

промышленной частоты (50 Гц)

повышенной промышленной частоты (400, 1000, 2000 Гц)

повышенной частоты (до 10000 Гц)

высокой частоты

Конструктивные особенности некоторых видов трансформаторов

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и катушка с обмотками.

Материалом для магнитопровода трансформаторов служит листовая электротехническая сталь различных марок и толщины, горячей прокатки и холоднокатаная; от содержания кремния, которое отражено в марке стали, а также от толщины листа зависят потери мощности в магнитопроводе от вихревых токов. Толщину листа применяемой стали выбирают в зависимости от частоты сети, питающей трансформатор: с увеличением частоты толщину листа надо уменьшать. Ленточные (витые) магнитопроводы изготавливают из лент рулонной стали; предварительно лента покрывается изолирующим и склеивающим составом.

Стержневые магнитопроводысобираютизпрямоугольных пластин одинаковой ширины. Части магнитопровода, на которых находятся обмотки, называются стержнями. Часть магнитопровода, соединяющая стержни между собой, называется ярмом.

Сборка частей магнитопровода может производиться встык и вперекрышку, причем в последнем случае увеличивается механическая прочность и уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода. При сборке встык пластины собирают в единый пакет и предусматривают изоляционную прокладку между пакетами для предохранения от замыкания между отдельными листами магнитопровода. Сборка встык упрощает монтаж и демонтаж трансформатора. Пластины магнитопровода скрепляют в пакет либо с помощью изолированных от магнитопровода шпилек либо с помощью специальных бандажей из капроновых ниток.

Броневые магнитопроводысобирают из пластин Ш-образной формы и прямоугольных пластин, замыкающих Ш-образную пластину. Эти магнитопроводы имеют один стержень, на котором располагают все обмотки трансформатора. Сборка броневого магнитопровода производится так же, как и магнитопровода стержневого типа, описанного выше.

Поскольку в броневом магнитопроводе обмотка размещается на среднем стержне, магнитный поток разветвляется на правую и левую части и, таким образом, в крайних стержнях его значение будет в 2 раза меньше, чем в центральном; это позволяет уменьшить сечение крайних стержней в 2 раза по сравнению с центральным. собирают из отдельных штампованных колец, покрытых изолирующим лаком; сборка производится с помощью намотки на пакет пластин ленточной лакоткани. Этот магнитопровод обладает наилучшими магнитными свойствами: наименьшее магнитное сопротивление, минимальные индуктивность рассеивания и чувствительность к внешним магнитным полям, однако изготовление обмоток в данном случае может производиться только на специальных станках челночного типа или вручную.

Ленточные магнитопроводы стержневого и броневого типасобираются из отдельных, соединяемых встык, магнитопроводов подковообразной формы, а затем стягиваются специальными накладками (хомутами). Такая конструкция магнитопровода значительно упрощает сборку трансформатора. Ленточные магнитопроводы по сравнению с пластинчатыми допускают магнитную индукцию на 20—30 % выше, потерь в них меньше, заполнение объема магнитопровода и КПД трансформатора выше. По этим причинам ленточные магнитопроводы находят все более широкое применение.

Тороидальные ленточные магнитопроводыизготавливают путем навивки ленты на оправку заданного размера. Обмотки трансформатора производятся на намоточных станках челночного типа.

/>

Рисунок 3. Конструкция магнитопроводов трансформаторов

Обмотки трансформатора выполняют из медного или алюминиевого изолированного провода. При изготовлении катушки с обмотками предусматриваются изолирующие прокладки: межобмоточная, межслойная и внешняя.

При диаметре провода более 1 мм каркас выполняется из электрокартона, а отдельные слои обмотки перевязываются хлопчатобумажной лентой.

Обмоточные провода маркируются по диаметру, виду изоляции и нагревостойкости.

Для повышения электрической прочности трансформаторы после сборки пропитывают электроизоляционными лаками, а иногда заливают специальными компаундами.

В трансформаторах средней мощностиближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения. Это позволяет уменьшить слой изоляции между обмоткой и стержнем, а также создает лучшие условия охлаждения обмотки низшего напряжения, по которой протекает больший ток.

В низковольтных трансформаторах (до 100 В) малой мощностиближе к стержню помещают обмотку высшего напряжения. Эта мера позволяет уменьшить стоимость трансформатора, так как средняя длина витка обмотки высшего напряжения, выполняемой из дорогостоящего провода малого сечения, получается в этом случае меньше.

В высоковольтных трансформаторах (свыше 1000В)применяется раздельное расположение обмоток на стержнях магнитопровода.

В низковольтных трансформаторахобмотки располагаются в соответствии с рис.1.2, б

/>

Рисунок 4. Расположение обмоток на каркасе: а – в высоковольтном трансформаторе; б — в низковольтном; в — в броневом

Достоинство такого расположения обмоток — небольшое значение магнитного потока рассеяния из-за меньшей толщины намотки и небольшой расход обмоточных проводов, так как снижение толщины намотки ведет к уменьшению средней длины витка обмотки.

В трансформаторах с броневыми магнитопроводами обмотки располагаются на одном стержне.

В трехфазном трансформаторена каждом из стержней располагаются первичная и вторичная обмотки данной фазы.

В тороидальных трансформаторахобмотки располагаются по всей длине магнитопровода.

Стержневыеи броневыемагнитопроводы с находящимися на них обмотками собирают в узел с помощью шпилек и накладок либо путем запрессовки в скобу.

    продолжение
—PAGE_BREAK—

Тороидальные магнитопроводыс находящимися на них обмотками собирают в узел и крепят к шасси с помощью крепежных шайб и винта с гайкой.

В конструкции трансформатора должна быть предусмотрена панель, к которой припаиваются выводы обмоток. Корпус трансформатора (накладки, обоймы, скобы) электрически соединяется с магнитопроводом и заземляется. Эта мера необходима из соображений техники безопасности на случай пробоя одной из обмоток.

Виды трансформаторов

Выходной трансформатор

Кроме силовых трансформаторов, в ламповых радиоприемниках и усилителях употребляют выходные, междуламповые (или переходные) и входные (в усилителях низкой частоты) трансформаторы.

Выходные трансформаторы применяются для согласования сопротивления громкоговорителя с сопротивлением анодной цепи выходной лампы. Согласование это необходимо для того, чтобы можно было получить от лампы ту мощность, на которую она рассчитана. Отдать же наибольшую мощность лампа может только в том случае, если в анодной цепи ее стоит нагрузка с сопротивлением, являющимся оптимальным для данной лампы. В справочниках эта оптимальная нагрузка обозначается обычно Rа или Rаопт.

Анодная нагрузка выходных низкочастотных ламп составляет обычно несколько тысяч Ом, в то время как сопротивление обмоток современных громкоговорителей равна единицам Ом. Если громкоговоритель с такой низкоомной звуковой катушкой включить прямо в анодную цепь лампы, то только маленькая доля мощности будет расходоваться на громкоговорителе, а вся остальная мощность будет бесполезно тратиться на нагрев лампы. При включение же в анодную цепь лампы понижающего трансформатора, к выходной обмотке которого подключен громкоговоритель, положение резко изменится.

Трансформатор, понижая напряжение, действующее в анодной цепи лампы, в то же время как бы «повышает» сопротивление, подключенное к анодной цепи. Если коэффициент трансформации выходного трансформатора равен 20:1, т.е. во вторичной (выходной) обмотке в 20 раз меньше витков, чем в первичной (анодной), то напряжение, подводимое к громкоговорителю, будет в 20 раз меньше действующего на аноде лампы, а сопротивление, «ощущаемое» лампой, станет в 400 раз больше сопротивления обмотки громкоговорителя, т.е. возрастет в 20*20=202 раз.

Расчет выходного трансформатора сложен для начинающего радиолюбителя, поэтому в таблице приведены данные обмоток выходных трансформаторов для наиболее употребляемых выходных ламп и громкоговорителей.

Входные трансформаторы

Входные трансформаторы служат для согласования входа усилителя звуковой частоты с микрофоном, звукоснимателем или магнитной головкой. Так как максимальная амплитуда переменного напряжения для входных трансформаторов бывает не более 1В, то их изготовляют повышающими. Входные трансформаторы должны иметь повышенную помехозащищенность и слабую чувствительность к воздействию внешних магнитных полей, так как в противном случае в них могут появиться значительные напряжения помех.

Для уменьшения помех входные трансформаторы тщательно экранируют, оси их обмоток располагают перпендикулярно к магнитным силовым линиям источника помех, а также принимают меры по возможно большему удалению входных цепей от выходного трансформатора и трансформатора питания.

Учитывая, что наименьшей чувствительностью к воздействию внешних магнитных полей обладают трансформаторы с магнитопроводами броневого или тороидального типа, входные трансформаторы изготавливаются на штампованных или ленточных сердечниках из пермаллоя. 80НХС или 79НМ, а также из стали. Входные трансформаторы помещают в экран или опрессовывают пластмассой. Их крепят на печатных платах с помощью «лапок» или непосредственно пайкой выводов из луженой проволоки диаметром 1 – 1,5 мм.

Междуламповые и междукаскадные трансформаторы.

Междукаскадные трансформаторы применяются для связи в УЗЧ, получающих питание от автономных источников, так как в этом случае от усилителя необходимо получить максимальный коэффициент усиления при минимальном количестве транзисторов и радиоламп.

Конструктивно междукаскадные трансформаторы не отличаются от входных. Они изготавливаются с коэффициентом трансформации не более чем 1:4, так как больший коэффициент вызывает большие гармонические искажения.

Междуламповые трансформаторы употребляются, когда при ограниченном количестве ламп и небольшом анодном напряжении необходимо получить большое усиление. Такие требования часто предъявляются к батарейным радиоприемникам.

Междуламповые трансформаторы большей частью делают с малым сечением стального сердечника (1,5 – 3 см2). Первичные обмотки, включаемые в анодную цепь лампы, обычно состоят из 3000 – 5000 витков эмалированного провода диаметром 0,08 – 0,1 мм. Вторичные обмотки трансформаторов имеют от 6000 до 20 000 витков того же провода, что и первичная обмотка.

Коэффициент трансформации междуламповых трансформаторов, т.е. отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки, берутся в пределах от 1:2 до 1:5.

Казалось бы, что для большего усиления надо иметь большие коэффициенты трансформации. Однако при повышении коэффициента трансформации даже только до 1:4, 1:5 трансформаторы уже дают заметно худшее качество воспроизведения звука, чем трансформаторы с коэффициентом 1:2. Причина в том, что при очень большом количестве витков во вторичной обмотке ее собственная емкость становится настолько большой, что ухудшает трансформацию верхних звуковых частот.

Кроме того, намотанный тонким проводом междуламповый трансформатор является наиболее надежной деталью приемника или усилителя.

Поэтому по возможности междуламповый трансформатор не следует применять.

Применение переходных трансформаторов в сетевых приемниках нежелательно ещё потому, что при использовании междулампового трансформатора очень трудно избавится от прослушивания фона переменного тока. Это явление вызывается тем, что магнитный поток силового трансформатора не весь замыкается по сердечнику. Часть потока проходит в окружающем пространстве, пересекает витки обмотки междулампового трансформатора и наводит в нем переменное напряжение. Наведенное напряжение усиливается и, попадая в громкоговоритель, создает неприятное гудение.

Расчет сетевого (силового) трансформатора

Классический расчет трансформатора достаточно сложен и требует знания почти всех характеристик, которые мы не можем знать, т.к. для использования мы берем всегда случайно попавший к нам сердечник. Поэтому, здесь для расчета трансформатора предлагается эмпирический метод, многократно проверенный радиолюбителями и основанный на практическом применении.

Для расчета сетевого трансформатора необходимо знать исходные данные, а именно напряжения и токи каждой обмотки. Первым шагом является определение суммарной мощности, которая вычисляется как сумма мощностей, потребляемой каждой об-моткой (мощность — это произведение тока на напряжение), поэтому:

/>, где U1I1, U2I2 и т.д. — произведения напряжений и то-ков вторичных обмоток (здесь ток — это максимальный ток нагрузки). Теперь определяем габаритную мощность, которая получается при делении на КПД:

/>

КПД заранее знать нельзя, но ее можно определить по таблице 1:

/>

Зная габаритную мощность трансформатора, находим сечение рабочего керна его сердечника, на котором находится катушка:/>

S — получается в квадратных сантиметрах.

Теперь находим ширину рабочего керна сердечника по формуле: />

По полученному значению а(см.) выбираем из имеющихся в наличии сердечников данное значение (можно больше), и находим толщину пакета с(см.):

/>

Теперь определяем количество витков, приходящихся на 1 вольт напряжения:

/>

Коэффициент К обычно лежит в пределах от 35 до 60. В первую очередь он зависит от свойств пластин стали сердечника. Для стали толщиной 0,35 мм, для сердечников С-образной формы, витых из тонкой стали, К=35. Для сердечников О-образной формы, собранный из П- или Г-образных пластин без отверстий по углам, берем К=40. Если применяются пластины типа Ш без отверстий, то К=45, с отверстиями К=50. Для пластин Ш-образной формы с отверстиями, толщиной 0,35 мм, К=60. Т.е. значением К можно варьировать, но учитывать, что уменьшение К облегчает намотку, но ужесточает работу трансформатора. При применении пластин из высококачественной стали этот коэффициент можно немного уменьшить, а при низком качестве нужно увеличить.

Теперь можно найти количество витков первичной обмотки:

/>

Для определения количества витков вторичной обмотки, необходимо вводить дополнительный коэффициент m, учитывающий падение напряжения на ней:

/>

Коэффициент m зависит от силы тока, протекающего по данной обмотке, табл.2:

/>

Диаметр проводов вторичных обмоток можно найти:/>

где d-диаметр провода по меди, мм; I-сила тока в обмотке, А; p-коэффициент, учитывающий допустимый нагрев, зависящий от марки провода, табл. 3:

/>

Силу тока в первичной обмотке можно определить так:

/>

Пример расчета

Нужно рассчитать трансформатор со следующими данными:

U1=6,3В, I1=1,5А; U2=12В, I2=0,3А; U3=120В, I3=0,059А. Находим суммарную мощность: Рсумм=6,3*1,5+12*0,3+120*0,059=20,13 Вт. С помощью табл.1 определяем габаритную мощность: Рг=20,13/0,85=23,7 Вт. Находим сечение трансформатора:

/>

Находим приближенное значение ширины рабочего керна:

/>

    продолжение
—PAGE_BREAK—

Выбираем пластины трансформатора типа Ш-19, для которых а=1,9 см, и находим толщину пакета:

с=S/a=5,84/1,9=3,1 см.

Фактически полученное сечение рабочего керна сердечника:

S=ac=1,9*3,1=5,89 см2.

Определяем коэффициент К. Допустим, что используются пластины трансформаторной стали типа Ш-19 без отверстий по углам. Тогда К=45.

Находим количество витков на 1 В:

n=K/S=45/5,89=7,64.

Определяем количество витков первичной обмотки при питании от сети напряжением 220 В:

WI=UI*n=220*7,64=1680 витков.

Находим из табл. 3 коэффициент m для каждой из вторичных обмоток:

при I1=1,5A, m1=1,04;

приI2=0,3A, m2=1,02;

приI3=0,059A, m3=1,00.

Определяем количество витков каждой из вторичных обмоток с округлением до ближайшего целого числа:

W1=m1U1n=1,04*6,3*7,64=50 витков;

W2=m2U2n=1,02*12*7,64=94 витков;

W3=m3U3n=1,00*120*7,64=917 витков;

Находим силу тока в первичной обмотке:

I1=Pг/Uсети=23,7/220=0,108 А.

Находим диаметр провода первичной обмотки:

/>

Находим диаметры проводов вторичных обмоток. Для этого составляем таблицу намоточных данных, где диаметры проводов по меди выбраны из ближайших больших стандартных значений, а диаметры проводов в изоляции взяты на 10% больше, чем диаметры проводов по меди, табл. 4.

/>

Практическое применение трансформатора

Трансформаторы широко используются в промышленности и быту для различных целей:

1. Для передачи и распределения электрической энергии.

Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.

Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В (рис. 6)

/>

Рис. 6. Трансформатор в схеме передачи и распределения энергии

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются преобразовательными.

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

4. Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.

5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются измерительными.

Список используемой литературы

Боровик С.С., Бродский М.А. Ремонт и регулировка бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Вышэйшая школа. Минск, 1989.

Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. Т.1. Высшая школа. М., 1987.

Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры, Москва «Радио и связь», 1994.

elcs.narod.ru/articles2.html

model.exponenta.ru/electro/0070.htm

Ссылки (links):
elcs.narod.ru/articles2.html

www.ronl.ru

Трансформаторы

 Трансформатор — это электромагнитный аппарат, который способен изменять напряжение переменного тока. Трансформатор состоит из двух или более обмоток, которые связаны между собой через общий магнитный поток.

Обмотки изолированы друг от друга (за исключением автотрансформаторов). Магнитная связь усиливается за счет сердечника, который состоит из листов электротехнической стали.

Обмотку трансформатора, которая соединяется с источником энергии, называют первичной. Обмотку, отдающую электроэнергию, а также величины, которые относятся к ней, называют вторичными. Соответственно все величины, характеризующие первичную обмотку, обозначают индексами 1, а вторичную — индексом 2.

Трансформаторы могут быть однофазным или трехфазным. Для трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой называют три фазные обмотки одного напряжения. По способу охлаждения трансформаторы могут быть сухими или масляными.

Щиток трансформатора содержит информацию о его номинальных напряжениях — высших и низших, номинальной и полной мощности, линейных токах, частоте, числе фаз, схеме и группе соединений и др. В случае, когда первичное напряжение U1 меньше вторичного U2, трансформатор называют повышающим, если U1 > U2, его называют понижающим.

Для трансформатора отношение амплитудных, мгновенных и действующих значений э. д. с. соответствует отношению количеств витков обмоток трансформатора. Коэффициент полезного действия трансформатора очень высок, примерно 99%. Мощность Р1 подводится к первичной обмотке, в процессе работы происходят потери мощности на нагревание проводников в первичной обмотке Рпр1, на гистерезис и вихревые токи Рс, оставшаяся мощность попадает на вторичную обмотку: P1 = Р1 – Рпр1 – Рс. Потери во вторичной обмотке приходятся на нагрев проводников Рпр2, и оставшаяся мощность Р2 передается во внешнюю цепь. Таким образом, можно записать уравнение:

P2 = P12 – Рпр2 = Р1 – Рпр1 – Рс – Рпр2.




worldofscience.ru

Трансформаторы. Передача электрической энергии | ЭТО ФИЗИКА

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная (рис. 2.5.1).

Рисунок 2.5.1.

Простейший трансформатор и его условное изображение в схемах. n1 и n2 – числа витков в обмотках

Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e1 (t), поэтому в ней возникает ток J1 (t), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который практически без рассеивания циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

Ситуация резко изменяется, когда в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки Rн, и в ней возникает переменный ток J2 (t). Теперь полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ2, создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J2, направлен навстречу потоку Φ1, создаваемому током J1 в первичной обмотке: Φ = Φ1 – Φ2. Отсюда следует, что токи J1 и J2 изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180°.

Другой важный вывод состоит в том, что ток J1 в первичной обмотке в режиме нагрузки значительно больше тока холостого хода. Это следует из того, что полный магнитный поток Φ в сердечнике в режиме нагрузки должен быть таким же, как и в режиме холостого хода, так как напряжение u1 на первичной обмотке в обоих случаях одно и то же. Это напряжение равно ЭДС источника e1 переменного тока. Так как магнитные потоки, пронизывающие обмотки, пропорциональны числу n1 и n2 витков в них, можно записать для первичной обмотки:

для вторичной обмотки:

Следовательно,

Знак минус означает, что напряжения u1 и u2 находятся в противофазе, также как и токи J1 и J2 в обмотках. Поэтому фазовый сдвиг φ1 между напряжением u1 и током J1 в первичной обмотке равен фазовому сдвигу φ2 между напряжением u2 и током J2 во вторичной обмотке. Если нагрузкой вторичной обмотки является активное сопротивление Rн, то φ1 = φ2 = 0.

Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:

Коэффициент K = n2 / n1 есть коэффициент трансформации. При K > 1 трансформатор называется повышающим, при K < 1 – понижающим.

Приведенные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники транформатора изготавливают обычно из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса.

У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышает 1–2 %, поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора.

Если пренебречь потерями энергии, то мощность P1, потребляемая идеальным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P2, передаваемой нагрузке.

Отсюда следует, что

то есть токи в обмотках обратно пропорциональны числу витков.

Принимая во внимание, что U2 = RнI2, можно получить следующее соотношение

Отношение Rэкв = U1 / I1 можно рассматривать как эквивалентное активное сопротивление первичной цепи, когда вторичная обмотка нагружена на сопротивление Rн. Таким образом, трансформатор «трансформирует» не только напряжения и токи, но и сопротивления.

В современной технике нашли широкое применение трансформаторы различных конструкций. В радиотехнических устройствах используются небольшие, маломощные трансформаторы, имеющие обычно несколько обмоток (понижающих или повышающих напряжение источника переменного тока). В электротехнике часто применяются так называемые трехфазные трансформаторы, предназначенные для одновременного повышения или понижения трех напряжений, сдвинутых по фазе относительно друг друга на углы 120°.

Мощные трехфазные трансформаторы используются в линиях передач электроэнергии на большие расстояния.

Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.

Для уменьшения потерь на нагревание проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток частотой 50 Гц. Чем выше напряжение на линии, тем меньше потери энергии при передаче. Самое высокое напряжение используемое в России – 1000 кВ, в мире на сегодняшний день самое высокое напряжение 1200 кВ. На рис. 2.5.2 представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии.

Следует отметить, что при повышении напряжения в линиях передач увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть так называемый коронный разряд, который можно обнаружить по характерному потрескиванию. Коэффициент полезного действия линий передач не превышает 90 %.

Рисунок 2.5.2.

Условная схема высоковольтной линии передачи. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках линии. На схеме изображен только один из трех проводов высоковольтной линии

www.its-physics.org

Трансформаторы

Физика > Трансформаторы

 

Трансформатор переводит напряжение из одного значения в другое.

Задача обучения

  • Используйте уравнение трансформатора, чтобы сравнить вторичное и первичное напряжения.

Основные пункты

  • Часто трансформаторы применяют в нескольких точках системы с энергетическим распределением, а также в бытовых силовых адаптерах.
  • В формуле трансформатора видно, что соотношение напряжений равно отношению количества петель на обеих катушках:  
  • Если сопротивление незначительно, то выходная мощность приравнивается к входному сигналу: 

Термины

  • Закон индукции Фарадея – предсказывает принципы взаимодействия магнитного поля и эклектической цепи, из-за чего формируется ЭДС.
  • Магнитный поток – мера силы магнитного поля на конкретном участке.

Трансформаторы отвечают за смену значений напряжения. К примеру, мобильные телефоны, ноутбуки, мелкие бытовые приборы и прочие обладают трансформатором, меняющим 120 В на то напряжение, в котором нуждается прибор. Также их используют в нескольких точках в системах распределения энергии. Мощность транспортируется на большие дистанции при высоком уровне напряжения. Однако, подобные напряжения вызывают опасность, а трансформаторы понижают это количество в позиции пользователя.

Трансформаторы меняют напряжение в нескольких точках распределительной системы. Чаще всего электрическая мощность генерируется на 10кВ и транспортируется на значительные дистанции при напряжении в 200кВ, а иногда и до 700кВ. Распределение осуществляется в подстанциях и отправляется уже на более короткие дистанции с напряжением 5-13 кВ. Это гарантирует безопасность для пользователя

Рассматриваемый тип трансформатора основывается на законе индукции Фарадея и напоминает его аппарат, в котором демонстрируется умение магнитного поля формировать ток. Катушки именуют первичной и вторичной. При обычном применении поступающее напряжение отправляется на первичную, а вторичная преобразовывает его. Входное напряжение – переменный ток, так что вторичный сигнал отправляет меняющийся магнитный поток.

Это типичная конструкция. Состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитный сердечник, ламинирующийся, чтобы свести к минимуму вихревые токи. Созданное первичной катушкой магнитное поле ограничено и разрастается в ядре, передающего его на вторичную. Набор катушек на левой стороне сердечника – первичная, а справа – вторичная. Напряжение на второй – Vs

Формула трансформатора

Для простого трансформатора формула напряжения:

(Ns – число петель во вторичной обмотке, а Δ/Δt – скорость изменения магнитного потока). Отметьте, что выходное напряжение приравнивается к индуцированной ЭДС, если сопротивление катушки незначительно. Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон так же, как и напряженность магнитного поля. Входное первичное напряжение связано с изменением потока:

Из этого соотношения можно вывести связь:

Перед вами уравнение трансформатора: отношение напряжения приравнивается к соотношению количества петель на катушках. Исходное напряжение может быть меньше, больше или таким же как поступившее (все зависит от числа петель). Некоторые трансформаторы способны создать переменный выход, из-за чего осуществляется соединение в различных точках вторичной катушки.

Если сопротивление незначительно, то полученная мощность приравнивается к поступившей:

Pp = IpVp = IsVs = Ps.

Объединим эти результаты с уравнением трансформатора:

Если напряжение растет, то ток уменьшается.


v-kosmose.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о