Устройство и принцип работы трансформатора
Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.
Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.
Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.
В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.
Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.
1. Принцип работы трансформатора.
Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.
Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.
При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.
В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.
Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.
Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.
Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.
Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.
Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.
Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.
Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.
Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.
Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.
2. Устройство трансформатора.
2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.
Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.
Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.
Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.
Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.
Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.
Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.
Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.
Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.
Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.
2.2. Типы магнитопроводов.
Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.
Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.
Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.
В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.
В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.
Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.
В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.
Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.
Тороидальные.
Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.
Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.
Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.
За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.
На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!
1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.
Решение задач по теме "Трансформаторы". 11-й класс
2. Каково устройство трансформатора? 3. Сколько чаще всего катушек у трансформатора?
4. На чем основан принцип работы трансформатора?
5. Трансформатор на холостом ходу.
6. Работа нагруженного трансформатора.
7. Что такое коэффициент трансформации?
8. Каким бывает численно коэффициент трансформации?
9. Какой трансформатор называют повышающим, какой понижающим?
10. Можно ли подключить трансформатор к сети постоянного напряжения?
11. Почему трансформатор гудит?
12. Почему сердечник трансформатора собирают из отдельных листов железа?
13. Почему сердечник называют магнитопроводом?
14. Можно ли сердечник сделать из меди?
15. Как найти КПД трансформатора? Каких наибольших значений он достигает?
16. Какие потери энергии могут быть в трансформаторе?
17. Как избежать потерь энергии в трансформаторе?
18. Можно ли включить в сеть переменного тока напряжением 220 В первичную катушку трансформатора, снятую с сердечника?
3. Тестовый опрос по теме трансформатор.
1. Сколько витков должна иметь первичная катушка трансформатора, чтобы повысить напряжение от 10 до 50 В, если во вторичной обмотке 80 витков?
2. Трансформатор является повышающим, если коэффициент трансформации его:
А) равен единице;
Б) меньше единицы;
В) больше единицы.
3. Сердечник трансформатора набран из отдельных изолированных пластин для:
А) экономии материала;
Б) уменьшения рассеяния магнитного потока;
В) уменьшения вихревых токов.
4. Каково соотношение между напряжением и числом витков в обмотках трансформатора?
5. Первичная катушка трансформатора – это та, что:
А) соединена с потребителем;
Б) соединена с источником;
Правильные ответы:
1 – В, 2 – Б, 3 – В, 4 – А, 5 – Б.
4. Решение задач.
1. Понижающий трансформатор со 110 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 22 000 В до 110 В. Сколько витков в его первичной обмотке?
2. Первичная обмотка повышающего трансформатора содержит 100 витков, а вторичная — 1000. Напряжение в первичной цепи 120 В. Каково напряжение во вторичной цепи, если потерь энергии нет?
3. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 300 витков, включен в сеть напряжением 220 В. Во вторичную цепь трансформатора, имеющую 165 витков, включен резистор сопротивлением 50 Ом. Найдите силу тока во вторичной цепи, если падение напряжения на ней равно 50 В.
4. Понижающий трансформатор дает ток 20 А при напряжении 120 В. Первичное напряжение равно 22000 В. Чему равны ток в первичной обмотке, а также входная и выходная мощности трансформатора, если его КПД равен 90%?
5. Повышающий трансформатор создает во вторичной цепи ток 2 А при напряжении 2200 В. Напряжение в первичной обмотке равно 110 В. Чему равен ток в первичной обмотке, а также входная и выходная мощности трансформатора, если потерь энергии в нем нет?
6. Первичная обмотка понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации 8 включена в сеть напряжением 200 В. Сопротивление вторичной обмотки 2 Ом, ток во вторичной обмотке трансформатора 3 А. Определите падение напряжения на зажимах вторичной обмотки. Потерями в первичной обмотке пренебречь.
5. Вопросы.
1. Почему на трансформаторной будке написано “Осторожно опасно!”. “Не влезай – убьет!”
2. Какой там трансформатор?
3. Первый трансформатор был изобретен в 1878 году. Это было 134 года тому назад. Чем он заслужил наше внимание? Чем он так хорош?
6. Подведение итогов.
Мы сегодня повторили тему “Трансформатор”. Я надеюсь, что вы поняли роль трансформатора в жизненной деятельности человека.
7. Домашнее задание. Параграф 39, задания на листе.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
Вариант 1
1. На каком физическом явлении основана работа трансформатора?
А. Магнитное действие тока.
Б. Электромагнитная индукция.
В. Тепловое действие тока.
2. Как изменится сила тока в первичной обмотке трансформатора при убывании силы тока в его вторичной обмотке?
Г. Ответ неоднозначен.
3. Напряжение на зажимах вторичной обмотки понижающего трансформатора 60 В, сила тока во вторичной цепи 40 А. Первичная обмотка включена в цепь с напряжением 240 В. Найдите силу тока в первичной обмотке трансформатора.
4. Первичная обмотка понижающего трансформатора включена в сеть переменного тока с напряжением 220 В. Напряжение на зажимах вторичной обмотки 20 В, ее сопротивление 1 Ом, ток в ней 2 А. Найдите коэффициент трансформации и КПД трансформатора.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
Вариант 2
1. Число витков в первичной обмотке трансформатора в 2 раза меньше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали напряжение U. Чему равно напряжение на вторичной обмотке трансформатора?
2. Во сколько раз изменяются потери энергии в линии электропередачи, если на понижающую подстанцию будет подаваться напряжение 10 кВ вместо 100 кВ при условии передачи одинаковой мощности?
А. Увеличится в 10 раз.
Б. Уменьшится в 100 раз.
В. Увеличится в 100 раз.
3. Трансформатор имеет коэффициент трансформации 20. Напряжение на первичной обмотке 120 В. Определите напряжение на вторичной обмотке и число витков в ней, если первичная обмотка имеет 200 витков.
4. Первичная обмотка трансформатора имеет 2400 витков. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка, чтобы при напряжении на зажимах 11 В передавать во внешнюю цепь мощность 22 Вт? Сопротивление вторичной обмотки 0,2 Ом. Напряжение в сети 380 В.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
Вариант 3
1. Как изменится сила тока в первичной обмотке трансформатора при возрастании силы тока в его вторичной обмотке?
Г. Ответ неоднозначен.
2. Какой ток можно подавать на обмотку трансформатора?
А. Только переменный.
Б. Только постоянный.
В. Переменный и постоянный.
3. Трансформатор повышает напряжение с 220 В до 1,1 кВ и содержит 700 витков в первичной обмотке. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков во вторичной обмотке? В какой обмотке провод большего сечения?
4. Первичная обмотка трансформатора с коэффициентом трансформации, равным 8, включена в сеть с напряжением 220 В. Сопротивление вторичной обмотки 2 Ом, сила тока во вторичной обмотке трансформатора 3 А. Определите напряжение на зажимах вторичной обмотки. Потерями в первичной обмотке пренебречь.
Первичная катушка трансформатора это та что выберите ответ
Решение задач по теме «Трансформаторы». 11-й класс
Цели урока:
- Образовательная: закрепить принцип действия, устройство и применение трансформатора, научить рассчитывать коэффициент трансформации, число витков, силу тока и напряжение, мощность, КПД.
- Развивающая: развивать логическое мышление, интерес к самостоятельному получению знаний, продолжить формирование умений делать выводы и обобщения.
- Воспитательная: продолжить воспитание отношения к физике как к экспериментальной науке; учить работать коллективно, прислушиваться к мнению товарищей.
Тип урока: комбинированный урок.
1. Организационный момент.
Приветствие, настрой деятельности на успех.
2. Проверка домашнего задания.
1. Что такое трансформатор?
2. Каково устройство трансформатора? 3. Сколько чаще всего катушек у трансформатора?
4. На чем основан принцип работы трансформатора?
5. Трансформатор на холостом ходу.
6. Работа нагруженного трансформатора.
7. Что такое коэффициент трансформации?
8. Каким бывает численно коэффициент трансформации?
9. Какой трансформатор называют повышающим, какой понижающим?
10. Можно ли подключить трансформатор к сети постоянного напряжения?
11. Почему трансформатор гудит?
12. Почему сердечник трансформатора собирают из отдельных листов железа?
13. Почему сердечник называют магнитопроводом?
14. Можно ли сердечник сделать из меди?
15. Как найти КПД трансформатора? Каких наибольших значений он достигает?
16. Какие потери энергии могут быть в трансформаторе?
17. Как избежать потерь энергии в трансформаторе?
18. Можно ли включить в сеть переменного тока напряжением 220 В первичную катушку трансформатора, снятую с сердечника?
3. Тестовый опрос по теме трансформатор.
1. Сколько витков должна иметь первичная катушка трансформатора, чтобы повысить напряжение от 10 до 50 В, если во вторичной обмотке 80 витков?
2. Трансформатор является повышающим, если коэффициент трансформации его:
3. Сердечник трансформатора набран из отдельных изолированных пластин для:
Б) уменьшения рассеяния магнитного потока;
В) уменьшения вихревых токов.
4. Каково соотношение между напряжением и числом витков в обмотках трансформатора?
5. Первичная катушка трансформатора – это та, что:
А) соединена с потребителем;
Правильные ответы:
4. Решение задач.
1. Понижающий трансформатор со 110 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 22 000 В до 110 В. Сколько витков в его первичной обмотке?
2. Первичная обмотка повышающего трансформатора содержит 100 витков, а вторичная — 1000. Напряжение в первичной цепи 120 В. Каково напряжение во вторичной цепи, если потерь энергии нет?
3. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 300 витков, включен в сеть напряжением 220 В. Во вторичную цепь трансформатора, имеющую 165 витков, включен резистор сопротивлением 50 Ом. Найдите силу тока во вторичной цепи, если падение напряжения на ней равно 50 В.
4. Понижающий трансформатор дает ток 20 А при напряжении 120 В. Первичное напряжение равно 22000 В. Чему равны ток в первичной обмотке, а также входная и выходная мощности трансформатора, если его КПД равен 90%?
5. Повышающий трансформатор создает во вторичной цепи ток 2 А при напряжении 2200 В. Напряжение в первичной обмотке равно 110 В. Чему равен ток в первичной обмотке, а также входная и выходная мощности трансформатора, если потерь энергии в нем нет?
6. Первичная обмотка понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации 8 включена в сеть напряжением 200 В. Сопротивление вторичной обмотки 2 Ом, ток во вторичной обмотке трансформатора 3 А. Определите падение напряжения на зажимах вторичной обмотки. Потерями в первичной обмотке пренебречь.
1. Почему на трансформаторной будке написано “Осторожно опасно!”. “Не влезай – убьет!”
2. Какой там трансформатор?
3. Первый трансформатор был изобретен в 1878 году. Это было 134 года тому назад. Чем он заслужил наше внимание? Чем он так хорош?
6. Подведение итогов.
Мы сегодня повторили тему “Трансформатор”. Я надеюсь, что вы поняли роль трансформатора в жизненной деятельности человека.
7. Домашнее задание. Параграф 39, задания на листе.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
1. На каком физическом явлении основана работа трансформатора?
А. Магнитное действие тока.
Б. Электромагнитная индукция.
2. Как изменится сила тока в первичной обмотке трансформатора при убывании силы тока в его вторичной обмотке?
3. Напряжение на зажимах вторичной обмотки понижающего трансформатора 60 В, сила тока во вторичной цепи 40 А. Первичная обмотка включена в цепь с напряжением 240 В. Найдите силу тока в первичной обмотке трансформатора.
4. Первичная обмотка понижающего трансформатора включена в сеть переменного тока с напряжением 220 В. Напряжение на зажимах вторичной обмотки 20 В, ее сопротивление 1 Ом, ток в ней 2 А. Найдите коэффициент трансформации и КПД трансформатора.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
1. Число витков в первичной обмотке трансформатора в 2 раза меньше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали напряжение U. Чему равно напряжение на вторичной обмотке трансформатора?
2. Во сколько раз изменяются потери энергии в линии электропередачи, если на понижающую подстанцию будет подаваться напряжение 10 кВ вместо 100 кВ при условии передачи одинаковой мощности?
3. Трансформатор имеет коэффициент трансформации 20. Напряжение на первичной обмотке 120 В. Определите напряжение на вторичной обмотке и число витков в ней, если первичная обмотка имеет 200 витков.
4. Первичная обмотка трансформатора имеет 2400 витков. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка, чтобы при напряжении на зажимах 11 В передавать во внешнюю цепь мощность 22 Вт? Сопротивление вторичной обмотки 0,2 Ом. Напряжение в сети 380 В.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
1. Как изменится сила тока в первичной обмотке трансформатора при возрастании силы тока в его вторичной обмотке?
2. Какой ток можно подавать на обмотку трансформатора?
В. Переменный и постоянный.
3. Трансформатор повышает напряжение с 220 В до 1,1 кВ и содержит 700 витков в первичной обмотке. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков во вторичной обмотке? В какой обмотке провод большего сечения?
4. Первичная обмотка трансформатора с коэффициентом трансформации, равным 8, включена в сеть с напряжением 220 В. Сопротивление вторичной обмотки 2 Ом, сила тока во вторичной обмотке трансформатора 3 А. Определите напряжение на зажимах вторичной обмотки. Потерями в первичной обмотке пренебречь.
Устройство и принцип действия трансформатора. Проверка знаний
Вопрос 1. Из чего состоит трансформатор?
Ответ. Простейший трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток в виде цилиндрических катушек.
Одна из обмоток подключается к источнику переменного синусоидального тока с напряжением u1 и называется первичной обмоткой. К другой обмотке подключается нагрузка трансформатора. Эта обмотка называется вторичной
обмоткой.
Вопрос 2. Как осуществляется передача энергии из одной обмотки в другую?
Ответ. Передача энергии из одной обмотки в другую осуществляется путём электромагнитной индукции. Переменный синусоидальный ток i1, протекающий по первичной обмотке трансформатора, возбуждает в магнитопроводе переменный магнитный поток Фс, который пронизывает витки обеих обмоток и наводит в них ЭДС 
и 
с амплитудами пропорциональными числам витков w1 и w2. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки в ней под действием ЭДС e2 возникает переменный синусоидальный ток i2 и устанавливается некоторое напряжение u2.
Электрическая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует и энергия во вторичную обмотку передаётся посредством магнитного поля, возбуждаемого в сердечнике.
Вопрос 3. Чем является вторичная обмотка трансформатора по отношению к нагрузке?
Ответ. По отношению к нагрузке вторичная обмотка трансформатора является источником электрической энергии с ЭДС e2. Пренебрегая потерями в обмотках трансформатора можно считать, что напряжение питающей сети U1 ≈ E1, а напряжение в нагрузке U2 ≈ E2.
Вопрос 4. Что такое коэффициент трансформации?
Ответ. Так как ЭДС обмоток пропорциональны числам витков, то соотношение напряжений питания трансформатора и нагрузки также определяется соотношением чисел витков обмоток, т.е.
U1/U2 ≈ E1/E2 ≈ w1/w2 = k.
Величина k называется коэффициентом трансформации.
Вопрос 5. Какой трансформатор называется понижающим?
Ответ. Если число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной w2 1 и напряжение в нагрузке будет меньше напряжения на входе трансформатора. Такой трансформатор называется понижающим.
Вопрос 6. Какой трансформатор называется повышающим?
Ответ. Если число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной w2 > w1, то k 2 и Si – поперечное сечение сердечника и суммарное сечение w1 витков обмотки. Следовательно, увеличение частоты питания f позволяет пропорционально уменьшить сечение сердечника при той же мощности трансформатора, т.е. уменьшить в квадрате его линейные размеры l.
Вопрос 13. Для чего служит магнитопровод трансформатора?
Ответ. Магнитопровод трансформатора служит для увеличения взаимной индукции обмоток и в общем случае не является необходимым элементом конструкции. При работе на высоких частотах, когда потери в ферромагнетике становятся недопустимо большими, а также при необходимости получения линейных характеристик, применяются трансформаторы без сердечника, т.н. воздушные трансформаторы. Однако в подавляющем большинстве случаев магнитопровод является одним из трёх основных элементов трансформатора. По конструкции магнитопроводы трансформаторов подразделяются на стрежневые и броневые.
Вопрос 14. Каким условиям должна удовлетворять конструкция обмоток трансформатора?
Ответ. Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять условиям высокой электрической и механической прочности, а также термостойкости.
Кроме того, технология их изготовления должна быть по возможности простой, а потери в обмотках минимальными.
Вопрос 15. Из чего изготавливаются обмотки трансформатора?
Ответ. Обмотки изготавливаются из медного или алюминиевого провода. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов находится в пределах 2…4,5 А/мм 2 , а в сухих трансформаторах 1,2…3,0 А/мм 2 . Верхние пределы относятся к более мощным трансформаторам. В алюминиевых обмотках плотность тока на 40…45% меньше. Провода обмоток могут быть круглого сечения площадью 0,02…10 мм 2 или прямоугольного сечения площадью 6…60 мм 2 . Во многих случаях катушки обмоток наматываются из нескольких параллельных проводников. Обмоточные провода покрыты эмалевой и хлопчатобумажной или шёлковой изоляцией. В сухих трансформаторах применяются провода с термостойкой изоляцией из стекловолокна.
Вопрос 16. Как подразделяются обмотки трансформатора по способу расположения на стержнях?
Ответ. По способу расположения на стержнях обмотки подразделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняются в виде цилиндров, геометрические оси которых совпадают с осью стержней. Ближе к стержню обычно располагается обмотка низшего напряжения, т.к. это позволяет уменьшить изоляционный промежуток между обмоткой и стержнем. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН поочерёдно располагают вдоль стрежня по высоте. Такая конструкция позволяет увеличить электромагнитную связь между обмотками, но значительно усложняет изоляцию и технологию изготовления обмоток, поэтому в силовых трансформаторах чередующиеся обмотки не используются.
Вопрос 17. Как выполняется изоляция обмоток трансформатора?
Ответ. Одним важнейших элементов конструкции обмоток трансформатора является изоляция.
Различают главную и продольную изоляцию.
Главной называется изоляция обмотки от стержня, бака и других обмоток. Её выполняют в виде изоляционных промежутков, электроизоляционных каркасов и шайб. При малых мощностях и низких напряжениях функцию главной изоляции выполняет каркас из пластика или электрокартона, на который наматываются обмотки, а также несколько слоёв лакоткани или картона, изолирующих одну обмотку от другой.
Продольной называется изоляция между различными точками одной обмотки, т.е. между витками, слоями и катушками. Межвитковая изоляция обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Для междуслойной изоляции используются несколько слоёв кабельной бумаги, а междукатушечная изоляция осуществляется либо изоляционными промежутками, либо каркасом или изоляционными шайбами.
Конструкция изоляции усложняется по мере роста напряжения обмотки ВН и у трансформаторов, работающих при напряжениях 200…500 кВ, стоимость изоляции достигает 25% стоимости трансформатора.
Литература: Усольцев Александр Анатольевич. Электрические машины. Учебное пособие. 2013 г.
Тест по теме «Трансформатор» (физика 11 класс)
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Тест по физике для 11 класса
А1. Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности, осуществляется с помощью
генератора б) трансформатора в) конденсатора
А2. Впервые трансформаторы были использованы русским учёным
а) Яблочковым б) Поповым в) Лебедевым
А3. Обмотка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется
а) первичной б ) вторичной в) третичной
А4. Если коэффициент трансформации меньше единицы, трансформатор называется
а) повышающий б) преобразующий в) понижающий
А5. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной ________________ мощности во вторичной катушке
а) больше б) примерно равна в) меньше
А6. В каких единицах измеряется ЭДС?
А7.Какой буквой обозначается число витков в обмотке трансформатора?
В1. Сколько витков имеет вторичная обмотка трансформатора, если в первичной обмотке 20 витков, а коэффициент трансформации равен 4?
В2. Мощность, потребляемая трансформатором, 180 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если напряжение на её зажимах 24В?
С1. Найдите напряжение на первичная обмотка трансформатора, имеющей 200 витков, если во вторичной обмотке 700 витков и напряжение 105 В?
Тест по физике для 11 класса
А1. Преобразование энергии того или иного вида в электрическую осуществляется с помощью
а) генератора б) трансформатора в) конденсатора
А2. Впервые трансформаторы были использованы русским учёным
а) Лебедевым б) Поповым в) Яблочковым
А3. Обмотка, к которой присоединяют нагрузку, называется
а) первичной б ) вторичной в) дополнительной
А4. Если коэффициент трансформации больше единицы, трансформатор называется
а) повышающий б) преобразующий в) понижающий
А5. Мощность во вторичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной ______________ мощности в первичной катушке
а) примерно равна б) больше в) меньше
А6. В каких единицах измеряется мощность трансформатора?
А7.Какой буквой обозначается ЭДС в обмотке трансформатора?
В1. Сколько витков имеет вторичная обмотка трансформатора, если в первичной обмотке 90 витков, а коэффициент трансформации равен 3?
В2. Мощность, потребляемая трансформатором, 200 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если напряжение на её зажимах 25В?
С1. Найдите напряжение на первичная обмотка трансформатора, имеющей 100 витков, если во вторичной обмотке 500 витков и напряжение 75 В?
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс повышения квалификации
Современные педтехнологии в деятельности учителя
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Тест составлен в двух вариантах с ответами. Его можно предложить обучающимся, изучающим физику как на базовом так и на профильном уровнях. В тест включен теоретический материал и расчётные задачи по теме «Трансформатор». Тест можно предложить обучающимся в качестве проверки домашнего задания. Он не займёт много времени, зато повысит накопляемость оценок и даст возможность учителю выявить пробелы в знаниях обучающихся по данной теме.
Номер материала: ДБ-1460235
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
В МГПУ сформулировали новые принципы повышения квалификации
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Школьник из Челябинской области стал победителем конкурса «Ученик года — 2021»
Учителям истории предлагают предоставить право бесплатно посещать музеи
Международный конгресс-выставка «Молодые профессионалы» пройдет с 12 по 14 декабря в Москве
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Устройство и схема трансформатора
Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал об основных типах трансформаторов и их классификации. Не смотря на большое разнообразие их типов, трансформаторы имеют ряд параметров, которые характеризуют все типы, например, номинальная мощность, КПД, коэффициент трансформации и т.д. О значении данных параметров и их расчёте я расскажу в данной статье.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Устройство трансформатора
Трансформатором называется статическое (то есть не имеющее движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменной ток другого напряжения при неизменной частоте. Простейший трансформатор имеет две обмотки, электрически изолированные друг от друга, за исключением автотрансформатора, и объединённые общим магнитным потоком. Для усиления магнитной связи обмоток и уменьшения паразитных параметров большинство трансформаторов выполняют на замкнутом магнитопроводе из ферромагнитных материалов (электротехнические стали и сплавы, ферриты, магнитодиэлектрики).
Рассмотрим устройство трансформатора на броневом Ш-образном сердечнике.
Устройство трансформатора: 1 – магнитопровод, 2 – каркас обмоток трансформатора (изоляция магнитопровода), 3 и 6 – обмотки трансформатора, 4 – межслоевая изоляция обмоток, 5 – межобмоточная изоляция трансформатора.
На рисунке выше изображён трансформатор, состоящий из двух катушек 3 и 6, называемых обмотками. Обмотки наматываются на каркас или гильзу 2, выполняющую роль изоляции магнитопровода трансформатора. Кроме изоляции магнитопровода необходимо выполнять изоляцию между обмотками 5 для предотвращения электрического контакта между ними, так как разность потенциалов может достигать десятки тысяч вольт.
Для предотвращения замыкания обмоточного провода внутри обмотки выполняют межслоевую изоляцию, а также для намотки катушек используют только изолированный провод.
Принцип действия трансформатора
От устройства трансформатора перейдём к принципу его работы. Для этого рассмотрим трансформатор изображённый на рисунке ниже.
Рабочий процесс трансформатора.
Данный трансформатор состоит из двух катушек (обмоток) I и II, находящихся на стержневом магнитопроводе. К катушке I подводится переменное напряжение u1; это катушка называется первичной обмоткой. На выводах катушки II, называемой вторичной обмоткой, формируется напряжение u2, которое передается приёмникам электрической энергии.
Работа трансформатора заключается в следующем. При протекании переменного тока i1 в первичной обмотке I создаётся магнитное поле, магнитный поток, которого пронизывает не только создавшую его обмотку (магнитный поток Ф1), но и частично вторичную обмотку (магнитный поток Ф0). То есть обмотки трансформатора являются магнитно связанными, при этом степень связи зависит от взаимного расположения обмоток: чем дальше обмотки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними и меньше магнитный поток Ф0.
Так как через первичную обмотку протекает переменный ток, то и создаваемый им магнитный поток непрерывно изменяет свою величину и свое направление. Согласно закону электромагнитной индукции, при изменении пронизывающего катушку магнитного потока, в катушке индуцируется переменная электродвижущая сила. Таким образом, в первичной обмотке индуцируется электродвижущая сила самоиндукции, а во вторичной обмотке – электродвижущая сила взаимноиндукции.
Если присоединить концы вторичной обмотки к приемнику электрической энергии (нагрузке), то через неё потечёт ток i2. В тоже время в первичную обмотку будет поступать ток i1 от источника энергии (генератора). Таким образом энергия от первичной обмотки во вторичную будет передаваться при помощи переменного магнитного потока Ф0.
На рисунке видно, что часть магнитного потока первичной Ф1 и вторичной Ф2 обмотки не замыкается через магнитопровод. Они не участвуют в передаче энергии, а образуют так называемое магнитное поле рассеяния.
Одной из задач проектирования трансформаторов является сведение магнитного потока рассеяния к минимуму.
Что такое коэффициент трансформации?
Одним из основных параметров трансформатора является его коэффициент трансформации. Рассмотрим в чём его смысл. Для этого примем допущение, что магнитное поле рассеяния сведено к минимуму и практически равно нулю. Тогда первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком ФВ. И в соответствии с законом электромагнитной индукции электродвижущая сила на выводах обмоток трансформатора определяется следующими выражениями
где E1 и Е2 – ЭДС на выводах первичной и вторичной обмотки соответственно,
ω1 и ω2 – число витков первичной и вторичной обмотки соответственно,
dФВ/dt – скорость изменения магнитного потока.
Тогда приравняв последнюю часть обоих выражение получим соотношение определяющее значение коэффициента трансформации
где n – коэффициент трансформации.
Таким образом, коэффициентом трансформации n называется отношение числа витков первичной ω1 к числу витков вторичной ω2 обмотки.
В зависимости от величины коэффициента трансформации, трансформатор может быть понижающим, когда n > 1, и повышающим, когда n < 1. В повышающем трансформаторе ЭДС вторичной обмотки больше, чем в первичной E1 < Е2, а в понижающем – E1 > Е2.
Приведённые параметры трансформатора
Для анализа работы трансформатора как электрического устройства используется так называемая эквивалентная схема или схема замещения. Данная схема содержит в себе все основные параметры трансформатора, используемые в расчёте и теории. Эквивалентную схему строят для так называемого приведённого трансформатора, когда число витков вторичной и первичной обмоток считают одинаковыми. Приведение числа витков обмотки сопровождается приведением и всех остальных параметров трансформатора: напряжения, токов и сопротивлений. Приведённые параметры вторичной обмотки вычисляются по следующим выражениям
где n – коэффициент трансформации,
U’2, I’2, Z’2 – приведённые параметры вторичной обмотки: напряжение, ток, сопротивление,
U2, I2, Z2 – реальные параметры вторичной обмотки: напряжение, ток, сопротивление.
Данные выражение соответствуют параметрам вторичной обмотки приведённые к первичной. В случае необходимости можно привести параметры первичной обмотки ко вторичной. В этом случае коэффициент трансформации будет равен отношению витков вторичной обмотки ω2 к первичной обмотке ω1.
Эквивалентная схема трансформатора
Для расчёта электрических параметров трансформатора применяют различные эквивалентные схемы. Данные схемы должны соответствовать следующим условиям:
- схема должна учитывать наиболее существенные электромагнитные процессы и обеспечивать достаточную точность расчётных характеристик различных режимов трансформаторов;
- схема должна описываться уравнениями невысокого порядка, чтобы в явном виде определялась связь между электрическими характеристиками и конструктивными параметрами трансформатора.
Ввиду противоречивости данных условий возможно опустить из расчётов ряд конструктивных параметров, которые незначительно влияют на электрические характеристики трансформатора. Кроме того при практической реализации трансформатора его конструктивные размеры всегда отличаются в той или иной степени от расчётных значений.
Поэтому для анализа и расчёта трансформатора используют эквивалентную схему трансформатора изображённую ниже
Эквивалентная схема замещения двухобмоточного трансформатора.
В данной схеме используют следующие параметры:
LC – индуктивность намагничивания трансформатора, усчитывающая запасание энергии в основном потоке взаимной индукции магнитопроводе при приложении напряжения к первичной обмотке,
RC – эквивалентное сопротивление активных потерь в магнитопроводе на перемагничивание и вихревые токи,
LS1и L’S2 – индуктивность рассеивания первичной обмотки и приведённая индуктивность вторичной обмотки, учитывающие запасание энергии в потоках рассеяния,
R1 и R’2 – активное сопротивление первичной обмотки и приведённое сопротивление вторичной обмотки, учитывающие потери энергии при протекании по ним тока нагрузки,
С01 и С’02 – собственная емкость первичной обмотки и приведённая емкость вторичной обмотки,
С12 – межобмоточная емкость трансформатора.
С учётом данной эквивалентной схемы запишем уравнения работы трансформатора
Большинство параметров эквивалентной схемы трансформатора рассчитываются по таким же выражениям, что и параметры эквивалентной схемы дросселя, рассмотренной в одной из предыдущих статей. Однако для трансформатора вводится новый параметр – межобмоточная ёмкость С12.
Как определить паразитные параметры трансформатора?
К паразитными параметрами трансформатора, определяющие качество его работы относятся индуктивность рассеяния и емкость обмоток. При правильном расчёте и конструктивном исполнении трансформатора при частотах до сотен кГц и напряжениях в десятки вольт их влияние незначительно. Поэтому есть смысл вести расчёт только суммарных значений паразитных параметров трансформатора в целом.
Так суммарная индуктивность рассеяния трансформатора, приведённая к первичной обмотке, определяется следующим выражением
где μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π * 10 -7 Гн/м,
ω1 – число витков первичной обмотки,
lcp – средняя длина витка обмотки,
b1 и b2 – толщина первичной и вторичной обмоток соответственно
hок – высота окна магнитопровода,
сок – ширина окна магнитопровода,
δ12 – межобмоточное расстояние. Так как данная величина по сравнению с толщиной обмоток незначительна, то её можно не учитывать в расчётах и упростить формулу.
Суммарная емкость обмоток трансформатора, приведённая к первичной обмотке можно вычислить по следующей формуле
где ω1 и ω2 – число витков первичной и вторичной обмотки соответственно,
Vm – объем магнитопровода в см 3 .
Данные выражение позволяют рассчитать паразитные параметры приблизительно, так как они зависят от различных конструктивных характеристик. Так индуктивность рассеяния зависит от толщины изоляции обмоток и обмоточного провода, а емкость – от расположения обмоточного провода на каркасе сердечника.
Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ