Трансформаторы: устройство, принцип действия

1.

1
ТРАНСФОРМАТОРЫ,
устройство, принцип действия

2.

2
Цели урока:
• изучить назначение, устройство и принцип
действия трансформатора;
• научиться определять КПД трансформатора;
• применение трансформатора.

3.

3
Трансформатор –
• устройство, применяемое для повышения
или понижения переменного напряжения и
силы электрического тока.

4.

4
История создания трансформатора
• 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 .
Хоть Фарадей в своих опыта и использовал подобие современного
трансформатора, однако основное свойство трансформатора –
трансформация токов и напряжений, было открыто позже.
• В 1848 году французским механиком Г.Румкорфом была изобретена
индукционная катушка (индуктивность) – прообраз трансформатора.
• Датой же рождения первого трансформатора считается 30 ноября 1876 года,
когда русский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на трансформатор с
разомкнутым сердечником. Это был стержень с намотанными на него
обмотками.
• 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.
• Дальнейшее развитие трансформаторов сводилось к усовершенствованию
материала сердечника, что позволило снизить потери и значительно увеличить
эффективность трансформаторов.

5.

5

6.

6

7.

7
Стальной сердечник
Катушка с
проволочной
обмоткой
Стальной сердечник
• Внешний вид разобранного трансформатора

8.

8
Элементы трансформатора:
Пластины стального
сердечника
Катушка с
проволочной
обмоткой
Пластины стального
сердечника

9.

Работа трансформатора
Первичная
обмотка
N1
Вторичная
обмотка
N2
U = fNФ
N
9

10.

10
Работа трансформатора на холостом ходу
• Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции
• При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется
переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой
обмотке. Сердечник концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток
существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.
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.
• Если полную ЭДС индукции, возникающую в первичной обмотке
(имеющей N1 витков) обозначить как ε1, а полную ЭДС индукции, возникающую во
вторичной обмотке (N2 витков) как ε2, то имеет место следующее соотношение:
• Активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В
этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю
ЭДС индукции.
• Величина K называется коэффициентом трансформации. При K > 1 трансформатор
является понижающим, а при K < 1 – повышающим.

11.

11
Работа трансформатора под нагрузкой
Если к концам вторичной обмотки присоединить нагрузку, потребляющую
электроэнергию, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю.
Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по
правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного потока в сердечнике.
Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно
уменьшить и ЭДС индукции в первичной обмотке. Но это невозможно, так как модуль
напряжения на зажимах первичной катушки по прежнему приблизительно равен модулю
ЭДС индукции. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически
увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом,
чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего
магнитного потока. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к
номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи:
отсюда:
Таким образом, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во
столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

12.

12
КПД трансформатора

13.

13
Виды трансформаторов:
• Силовой трансформатор
Данный вид трансформатора предназначен для преобразования электрической энергии в
электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической
энергии.
• Трансформатор тока
Трансформатор тока – трансформатор, предназначенный для измерения больших токов.
Этот вид трансформаторов широко используются для измерения электрического тока и в устройствах
релейной защиты электроэнергетических систем, отсюда – требования к максимальной точности.
• Трансформатор напряжения
Трансформатор напряжения – трансформатор, предназначенный для преобразования высокого
напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА (релейной защиты и
автоматики). Применение этого вида трансформатора позволяет изолировать логические цепи
защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.
• Автотрансформатор
Автотрансформатор – вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки
соединены напрямую и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую.
Преимуществом этого вида трансформатора является достаточно высокий КПД (преобразованию
подвергается только часть мощности).
• Импульсный трансформатор
Этот вид трансформатора предназначен для преобразования импульсных сигналов с длительностью
импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса.
• Разделительный трансформатор
Разделительный трансформатор – трансформатор, первичная обмотка которого электрически не
связана с вторичными обмотками. При работе с этим видом трансформатора нет угрозы поражения
током при одновременном прикасании к земле и токоведущим частям (или нетоковедущим частям,
оказавшимся под напряжением из-за повреждения изоляции).
• Пик-трансформатор
Пик-трансформатор – трансформатор, преобразующий синусоидальное напряжение в импульсы
пикообразной формы. Данный вид трансформаторов применяется для управления тиристорами либо
другими полупроводниковыми и электронными устройствами.

14.

14
Силовой
трансформатор
Трансформатор
тока

15.

15
Автотрансформатор
Импульсный
трансформатор
Трансформатор
напряжения

16.

16
Бытовые трансформаторы

17.

17
ЗАКРЕПЛЕНИЕ
• Вопросы:
1. На каком принципе базируется работа
трансформатора?
2. Можно ли трансформировать постоянный ток?
3. Почему нагруженный трансформатор потребляет
очень мало энергии?
4. Для чего сердечник трансформатора набирают из
тонких стальных пластин, изолированных друг от друга?
5. Виды трансформаторов по принципу работы и по
применению?
6. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка
трансформатора для повышения напряжения от 220В до
11 000В, если в первичной обмотке 20 витков?
7. Какую роль играет трансформатор в жизни человека?