Учебно-методический блок «Трансформаторы

Введение
При изучении темы «Трансформаторы» необходимо уделять внимание межпредметным и
внутрипердметным связям изучаемого материала предмета, поскольку на изучение темы
отводится небольшое количество часов, следует широко использовать самостоятельную
работу учащихся дома для подготовки докладов, рефератов, сообщений по различным
темам, дополняющим основную тему урока.
Закрепление материала осуществляется при выполнении лабораторно-практической
работы «Испытание однофазного трансформатора».
редмет «Электротехника»
Нормативный блок
Для специальностей и единичных квалификаций, связанных с производством, передачей и
потреблением электроэнергии; обслуживанием, монтажом и ремонтом соответствующих
устройств (сильноточная техника); связанных с производством электронной техники,
полупроводниковых приборов, вычислительной техники, радиотехнических устройств
(слаботочная техника) и единичных квалификаций, по которым необходимо знать общие
основы электротехники.
Тематический план и содержание темы «Трансформаторы»
Количество часов по предмету: 80;
Количество часов по теме: 5 (условно).
Составлены на основе типовой учебной программы для профессионально-технических
учебных заведений, утвержденной МО РБ 11.04.2001 г.
Цели изучения темы
Сформировать знания
о назначении, принципе
действия,
устройстве
однофазного трансформатора и его основных
параметрах.
Сформировать знания
о холостом ходе трансформатора и его работе
под нагрузкой и научить
определять параметры
трансформатора
по
опытам холостого хода и
короткого замыкания.
Наименование
и содержание темы
Назначение,
принцип
действия и устройство однофазного трансформатора. Его основные параметры (коэффициент трансформации,
коэффициент
мощности,
коэффициент
полезного
действия):
физический смысл, расчет
по формулам, оценка получаемых знаний.
Холостой ход трансформатора. Работа трансформатора под нагрузкой.
Определение параметров
трансформатора по опытам
холостого хода и короткого
замыкания.
Результаты
Объясняет назначение, принцип действия,
устройство однофазного трансформатора и
его основные параметры.
Объясняет
работу
трансформатора в режиме холостого хода и
под нагрузкой, определяет его параметры по
опытам холостого хода
и короткого замыкания.
Объясняет принцип
Дать понятия о трехТрехфазные
трансфор- работы
трехфазных
фазных трансформатоматоры. Конструкция и сис- трансформаторов,
их
рах, их конструкции и
темы охлаждения.
конструкцию и систему
системе охлаждения.
охлаждения.
Специальные
типы
Различает по очевидДать представления о трансформаторов (измериным признакам основспециальных
типах тельные, сварочные, имные типы специальных
трансформаторов
пульсные, автотрансформатрансформаторов
торы).
Тема программы:
Трансформаторы
Тема урока:
Однофазный трансформатор и его основные параметры.
Трехфазные трансформаторы
СОДЕРЖАНИЕ УРОКА
1. Теоретическая часть.
Объяснение нового материала по теме.
Из курса физики учащимся известно, что электрическая энергия передается на большие
расстояния по высоковольтным линиям электропередачи, а преобразователями
электрического напряжения являются трансформаторы. Кроме того, в общих чертах они
знакомы с принципом действия трансформатора. Учитывая, что этих сведений рабочим
электроэнергетических профессий недостаточно, следует подробно остановиться на
главных вопросах теории и практики. Целесообразно сразу же указать на необходимость
значительного повышения напряжения и получения при этом экономического эффекта.
При изучении устройства и принципа действия трансформатора дополнительно нужно
познакомить учащихся с некоторыми конструктивными особенностями отдельных частей
трансформаторов и расчетными формулами.
Принцип действия трансформатора нужно разобрать на самой простой схеме, состоящей
из магнитопровода и двух расположенных на нем обмоток. Важно отметить, что
первичная обмотка включается в сеть и работает в режиме потребителя, а вторичная передает энергию потребителям и работает в режиме генератора, следовательно, и
уравнения их работы различны.
Расчет характеристик трансформаторов основывается на изучении двух предельных
режимов их работы: холостого хода и короткого замыкания. Здесь необходимо разъяснить
суть опытов холостого хода и короткого замыкания.
Необходимо остановиться на принципах трансформирования трехфазного тока, разобрать
применение трехфазных групп, состоящих из трех однофазных трансформаторов, и
действие трехфазного трансформатора. Затем рассматриваютя конструктивные
особенности магнитопроводов и обмоток, а далее подробно освещается вопрос о
соединении обмоток трансформатора. Вопрос о параллельной работе трансформаторов
излагается кратко.
Каждое из условий включения трансформаторов на параллельную работу необходимо
пояснить и указать возможные допустимые отклонения. Учащиеся должны понять, что
при соблюдении этих условий может быть включено любое число трансформаторов.
2. Практическая часть.
1. С целью закрепления и обобщения материала учащимся предлагается решить и
проанализировать задачи по теме (у доски и на местах).
2. Отдельным учащимся выдать карточки-задания.
3. Подведение итогов
1. Проверка выполнения карточек-заданий.
2. Выставление оценок за ответы учащихся.
3. Анализ достижений целей урока.
4. Выдача домашнего задания
Самостоятельно по конспекту выучить тему урока.
Темы для рефератов: «Сварочные трансформаторы», «Импульсные трансформаторы»,
«Трансформаторы специального назначения».
БЛОК-КОНСПЕКТ
Тема программы:
Трансформаторы
Тема урока:
ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР И ЕГО ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ.
ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Общие сведения о трансформаторах
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий
переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого
напряжения.
Трансформаторы получили очень широкое практическое применение при передаче
электрической энергии на большие расстояния, для распределения энергии между ее
приемниками и в различных выпрямительных, сигнальных, усилительных и других
устройствах.
При передаче электрической энергии от электростанций к ее потребителям большое
значение имеет величина тока, проходящего по проводам. В зависимости от силы тока
выбирают сечение проводов линии передачи энергии и, следовательно, определяют
стоимость проводов, а также и потери энергии в них.
Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то ток в той же
мере уменьшится, а это позволит применять провода с меньшим поперечным сечением
для устройства линии передачи электрической энергии и уменьшит расход цветных
металлов, а также потери мощности в линии.
При неизменной передаваемой мощности поперечное сечение провода и потери мощности
в линии обратно пропорциональны напряжению.
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами
при напряжении 11-18 кВ (в некоторых случаях при 30-35 кВ). Хотя это напряжение очень
велико для непосредственного его использования потребителями, однако оно
недостаточно для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Для
увеличения напряжения применяют повышающие трансформаторы.
Трансформаторы, увеличивающие напряжение переменного тока, называются
повышающими, а уменьшающие напряжение переменного тока - понижающими.
Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.) из
соображений безопасности для лиц, пользующихся этими приемниками, рассчитываются
на более низкое напряжение (110-380В). Кроме того, высокое напряжение требует
усиленной изоляции токопроводящих частей, что делает конструкцию аппаратов и
приборов очень сложной, поэтому высокое напряжение, при котором передается энергия,
не может непосредственно использоваться для питания приемников, вследствие чего к
потребителям энергия подводится через понижающие трансформаторы.
Таким образом, электрическая энергия при передаче от места ее производства к месту
потребления трансформируется несколько раз (3-4 раза). Кроме того, понижающие
трансформаторы в распределительных сетях включаются неодновременно и не всегда на
полную мощность, вследствие чего мощности установленных трансформаторов
значительно больше (в 7-8 раз) мощностей генераторов, вырабатывающих
электроэнергию на электростанциях.
Трансформаторы по назначению подразделяются на силовые, сварочные, бытовые,
автотрансформаторы (ЛАТРы) и специальные трансформаторы.
К специальным трансформаторам относятся: измерительные - для расширения пределов
измерения приборов и систем автоматики; пиктрансформаторы - для преобразования
формы кривой; быстронасыщающиеся - для системы защиты; изолирующие - для
электрической изоляции и др.
Силовые трансформаторы в зависимости от конструкции и назначения бывают различных
типов. Тип трансформатора обозначается буквами и цифрами. Первая буква обозначает
фазность (О - однофазный, Т - трехфазный), вторая буква или вторая и третья - вид
охлаждения (М - естественное масляное; Д - дутьевое, обдувание масляных радиаторов; Ц
- циркуляция масла принудительная, с помощью масляных насосов; ДЦ - принудительная
циркуляция масла через охладители, обдуваемые воздухом; С - сухой, с воздушным
охлаждением). Дальше буквы указывают: А - алюминиевые обмотки; Н - с регулятором
напряжения под нагрузкой; АН - со стабилизирующими устройствами для регулирования
напряжения под нагрузкой; Р -для ртутного выпрямителя. Цифра в числителе указывает
полную мощность трансформатора в киловольт-амперах, а в знаменателе - высшее
напряжение в киловольтах. Например, ТМН-630/10 - трехфазный трансформатор с
естественным масляным охлаждением с регулятором напряжения под нагрузкой
мощностью 630кВ-А и высшим напряжением 10 кВ.
На каждом трансформаторе имеется щиток, на котором указывается тип трансформатора,
линейные токи при номинальной мощности, частота, число фаз, схема и группа
соединения обмоток.
стройство однофазного трансформатора
Однофазный трансформатор применяется в однофазной цепи переменного тока.
Трансформатор состоит из сердечника и двух или трех обмоток изолированного провода,
размещенных на сердечнике. Обмотки выполняются в виде катушек прямоугольной или
круглой формы. Обмотка, подключаемая к источнику, называется первичной, а обмотка, с
которой снимается напряжение, - вторичной. У трехобмоточного трансформатора
имеются две вторичные обмотки, что дает возможность получить два различных
напряжения. Сердечник делается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или
0,5 мм и служит магнитопроводом трансформатора. Для уменьшения вихревых токов, а,
следовательно, и потерь в стали листы сердечника изолируются лаком.
В зависимости от формы сердечника однофазные трансформаторы бывают стержневые и
броневые. В стержневом трансформаторе магнитопровод имеет форму замкнутого
прямоугольника (рис. 1а), а первичная и вторичная обмотки надеты на оба стержня,
причем одна половина обмотки - на одном стержне, а другая половина - на
другом.Обмотка с меньшим числом витков толстого провода размещается ближе к
сердечнику и обозначается на схемах НН (низшее напряжение), поверх нее наматывается
обмотка с большим числом витков тонкого провода (рис. 2) и обозначается на схемах ВН
(высшее напряжение). Намотка обмоток на обоих стержнях проводится так, чтобы их
магнитные потоки складывались, т. е., если в обмотке на первом стержне намотка идет по
часовой стрелке, то на втором - против .
В броневом трансформаторе первичная и вторичная обмотки находятся на среднем
стержне магнитопровода, который разветвляется и охватывает обмотки (рис. 1б). Обмотка
броневого трансформатора выполняется так же, как и стержневого, или в виде дисковой
катушки, где чередуются диски высшего и низшего напряжения.
Принцип работы трансформатора
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока,
то по ней будет проходить переменный ток, который возбудит в сердечнике
трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки
вторичной и первичной обмоток трансформатора, индуктирует в них эдс Е1 и Е2 ,
которые называются:
Е2 - эдс взаимоиндукции; Е1 - эдс самоиндукции.
Под действием эдс Е2 по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать
ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной
цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии,
включенный во вторичную цепь.
Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают
на стальном магнитопроводе.
Холостой ход трансформатора
Работа трансформатора основана на принципе взаимоиндукции. На рис. 3 схематически
показано устройство однофазного трансформатора. При подключении первичной обмотки
трансформатора к синусоидальному напряжению сети в ней возникает ток I0 = Imsin wt,
создающий магнитный поток первичной обмотки. Основная часть этого магнитного
потока Ф0 сосредоточивается в магнитопроводе и называется рабочим потоком. Из-за
гистерезиса в магнитопроводе рабочий магнитный поток отстает по фазе от
намагничивающего тока на угол a.
Небольшая часть магнитного потока замыкается около витков, проходя, в основном, путь
по воздуху, и называется потоком рассеяния Фs. Поток рассеяния совпадает по фазе с
током. Магнитный поток рассеяния возбуждает в первичной обмотке трансформатора
небольшую ЭДС рассеяния.
Рабочий магнитный поток одновременно пронизывает первичную и вторичную обмотки
трансформатора и возбуждает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции Е1, а во
вторичной - ЭДС взаимоиндукции Е2. ЭДС самоиндукции пропорциональна числу витков
первичной обмотки (w1) трансформатора, величине магнитного потока (Фm), частоте (f)
его изменения:
ЭДС взаимоиндукции выразится аналогичной формулой, так как возбуждается тем же
магнитным потоком:
Так как при холостом ходе во вторичной обмотке тока нет, то напряжение на зажимах
этой обмотки равно ЭДС, т. е. U2=E2. В первичной обмотке проходит небольшой ток
холостого хода и напряжение этой обмотки незначительно отличается от ЭДС, т. е. .
Отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при
холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается
буквой k, т. е.
Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное
число витков, то при включении первичной обмотки в сеть переменного тока с
напряжением U1 на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U2, не равное
напряжению U1.
рабочий режим трансформатора
Рабочим режимом трансформатора называется работа трансформатора при замкнутой на
нагрузку вторичной обмотке. Во вторичной обмотке при этом появится ток I2, создающий
магнитный поток. Магнитный поток вторичной обмотки Ф2 имеет противоположное
направление магнитному потоку Ф1, так как магнитный поток Ф1 создается напряжением
U1, а магнитный поток Ф2 создается ЭДС Е2. Уменьшение магнитного потока первичной
обмотки Ф1 ведет к уменьшению ее ЭДС (Е1). При этом нарушится равновесие U1 = Е1,
что ведет к увеличению тока I1.
Следовательно, при постоянном напряжении сети U1 ток в первичной обмотке I1
возрастает и обеспечивает восстановление основного магнитного потока Ф до
первоначальной величины. Таким образом, основной магнитный поток и при холостом
ходе, и при нагрузке трансформатора остается неизменным и равным векторной сумме
потоков первичной (Ф1 и вторичной (Ф2) обмоток:
С увеличением нагрузки трансформатора (уменьшением сопротивления R) увеличиваются
токи I2 и I1 , а, значит, растет и мощность, поступающая из сети. При уменьшении
нагрузки уменьшается вторичный ток, следовательно, и первичный ток тоже должен
уменьшиться. В этом сказывается общий принцип саморегулирования, который
действителен для всех электрических машин.
При номинальной нагрузке, если не учитывать небольшую разницу между cos ц1 и cos ц2,
можно записать:
I1U1 cos ц1= I2U2 cos ц2
Следовательно,
I1U1 = I2U2 или
т. е. токи в обмотках трансформатора при номинальной и близкой к номинальной
нагрузках обратно пропорциональны напряжениям на обмотках.
Обобщая формулы, можно записать:
При работе трансформатора происходят потери мощности в меди (Pм), вызванные
нагреванием проводников обмоток трансформатора, и в стали (Рст), вызванные
гистерезисом и вихревыми токами в сердечнике.
КПД трансформатора, как и всякой другой машины, определяется отношением полезной
мощности ко всей подведенной. Полезной мощностью для трансформатора является
мощность, снимаемая со вторичной обмотки Р2 = I2U2cosц2, а подведенной - мощность
Р1, идущая из сети в первичную обмотку. Поступающая из сети мощность может быть
выражена через полезную мощность и потери мощности в трансформаторе.
В таком случае КПД трансформатора может быть выражен формулой:
Потери мощности в меди определяются как сумма потерь в первичной и вторичной
обмотках:
Они зависят от нагрузки трансформатора и называются переменными потерями. Потери
мощности в стали определяются величиной и частотой изменения магнитного потока и от
нагрузки не зависят. Потери в стали называются постоянными потерями.
При работе трансформатора в рабочем режиме считают напряжение на вторичной
обмотке равным номинальному: U2U2Н, а потери в стали постоянными: РСТ=const. На
практике при работе трансформатора ток во вторичной обмотке I2 не всегда равен
номинальному току I2H, поэтому вводится коэффициент загрузки и КПД
трансформатора определяет