 |
Режим с нагрузкой (рабочий режим)
|
|
|
|
Лабораторная работа№15
Тема: Устройство и принцип действия трансформатора
Цель: Изучить устройство и принцип действия трансформатора, его характеристики и режимы работы.
Теория. Передача электрической энергии от электростанции на значительное расстояние до большого города или промышленного центра является сложной научно-технической проблемой.
Потери энергии на нагревание проводов прямо пропорциональны квадрату силы тока в линии электропередачи. Поэтому для уменьшения потерь необходимо уменьшить силу тока в линии электропередачи. Чтобы при уменьшении силы тока в линии не уменьшалась передаваемая мощность, следует увеличить напряжение во столько же раз, во сколько раз была уменьшена сила тока.
Повышение и понижение напряжения переменного тока осуществляются трансформаторами.
Трансформатор был изобретен в 1878 г. Русским ученым П.Н.Яблочковым (1847-1894).
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Самый простой трансформатор состоит из катушек изолированного металлического провода и замкнутого стального сердечника, проходящего сквозь обе катушки. Катушки изолированы друг от друга и от сердечника (рис.1).
Рис.1 
Рис.2 
Рис.3
При подаче переменного напряжения 
на первую катушку в ней возникает переменный ток 
. Переменный ток создает в стальном сердечнике переменный магнитный поток (рис. 2 и 3). Этот магнитный поток пронизывает обе катушки, и в каждом витке каждой из двух катушек возникает одинаковая ЭДС индукции 
. Если в первой катушке 
витков, а во второй 
, то полное значение ЭДС индукции в первой и второй катушке равно
|
|
|
, 
Отношение ЭДС индукции в первой и второй катушках в любой момент времени равно
(1)
Катушку, на выводы которой подается переменное напряжение, называют первичной катушкой (обмоткой). Катушку, в которой возбуждается ЭДС индукции, называют вторичной катушкой (обмоткой).
Обозначение на схемах.
На схемах трансформатор обозначается следующим образом:
Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 - первичная обмотка (обычно слева), 2,3 - вторичные обмотки. Число полуокружностей в очень грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков — больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).
Режим холостого хода
При отсутствии нагрузки во вторичной обмотке напряжения и 
в любой момент времени равны ЭДС индукции 
и 
. Такой режим работы трансформатора называется холостым ходом. При холостом ходе из равенства (1) следует:
(2)
Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток протекающий через первичную обмотку невелик.
Отношение напряжения на первичной обмотке трансформатора к напряжению на его вторичной обмотке в режиме холостого хода равно отношению числа витков в первичной катушке к числу витков во вторичной катушке. Отношение числа витков в первичной катушке к числу витков во вторичной катушке называется коэффициентом трансформации k:
.
При 
трансформатор понижающий, при 
- повышающий.
Режим с нагрузкой (рабочий режим)
При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает переменный ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе (сердечнике), направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.
|
|
|
Мощность тока в первичной и вторичной цепях, если пренебречь потерями, одинакова. Поэтому увеличение напряжения на выходе повышающего трансформатора в k раз сопровождается уменьшением силы тока во вторичной катушке в k раз.
КПД трансформатора называют отношение мощности, потребляемой в цепи вторичной обмотки, к мощности, отбираемой из сети. Разность между этими величинами представляет собой бесполезную потерю.
Трансформаторы для преобразования переменных токов больших мощностей обладают высокими КПД, достигающими 98-99,5%. Снижение КПД трансформатора обусловлено потерями энергии на нагревание проводов его обмоток и стального сердечника. Сердечник нагревается в результате перемагничивания и возникновения в нем вихревых индукционных токов. Для уменьшения вихревых токов сердечники трансформаторов обычно изготавливают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Это приводит к значительному увеличению электрического сопротивления сердечника и уменьшению потерь на его нагревание вихревыми токами.
Режим короткого замыкания
В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подается переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчетному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания.
Трансформаторы рассчитываются так, чтобы при нормальной их нагрузке, когда током холостого хода можно пренебречь по сравнению с рабочим током, токи в первичной и вторичной обмотках были приблизительно обратно пропорциональны соответствующим напряжениям:
|
|
|
.
Поэтому, если напряжение 
во много раз меньше, чем 
, во вторичной цепи такого понижающего трансформатора можно получить очень большие токи. Такие трансформаторы применяются при электросварке. Напряжение здесь очень мало, но ток во вторичной обмотке настолько велик, что он нагревает до красного каления толстый медный стержень.
Трансформаторы для небольших мощностей применяются главным образом в лабораториях и для бытовых целей, имеют небольшие размеры. Мощные трансформаторы, преобразующие сотни и тысячи киловатт, представляют собой огромные сооружения.
Ход работы: решить расчетные задания:
1. Первичная катушка трансформатора имеет 1000 витков. На тот же сердечник надеты четыре вторичные катушки с числами витков 250, 500, 1500 и 10000. Какое напряжение будет на зажимах каждой катушки, если на первичную подать 220 В?
2. Во вторичной обмотке трансформатора ток равен 0,22 А, а напряжение на зажимах равно 2400 В. Каков ток в первичной обмотке, если входное напряжение равно 220 В
3. Определить КПД трансформатора, если он повышает напряжение от 110 до 500 В. В первичной обмотке протекает ток 2,4 А, а во вторичной 0,5 А.
4. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повыщает напряжение с 220 до 660 В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?
Контрольные вопросы
1. Что называют трансформатором?
2. Кем и когда был изобретен трансформатор?
3. Как устроен трансформатор?
4. Каков принцип действия трансформатора?
5. Что называют коэффициентом трансформации трансформатора?
6. Какие режимы работы трансформатора вам известны? Дайте краткую характеристику этим режимам.
7. Как определить КПД трансформатора?
8. Как на схемах обозначают трансформатор?
9. Где используют трансформаторы?
Вывод.
|
|
|
