Тема урока:

Среди приборов переменного тока широкое применение в технике занимают трансформаторы. Одно из назначений трансформатора заключается в том, чтобы при передаче переменного тока от источника на дальние расстояния повышать напряжение и понижать его при переходе к потребителю. Помимо этого трансформаторы используются при питании от сети потребителей, работающих на других значениях напряжения.

Трансформа́тор (от лат. transformo преобразовывать) - это устройство осуществляющее преобразование переменного тока, при котором его напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз без потери мощности.лат.

Устройство трансформатора Трансформатор состоит: из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда больше) катушек с проволочными обмотками. Одна называется первичной (подключается к источнику переменного напряжения). Вторую обмотку, к которой присоединяют «нагрузку» (приборы), называют вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Простейший трансформатор Первичная обмотка подсоединяется к источнику тока с ЭДС е 1, создающей в сердечнике ток I 1,( создавая в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток, который циркулирует по замкнутому кругу), значит пронизывает все витки первичной и вторичной обмотки.

В режиме холостого хода (при разомкнутой цепи вторичной обмотки) ток в первичной обмотке очень мал, из- за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность. Когда в цепи вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки, в ней возникает переменный ток I 2, то полный магнитный поток в сердечнике создаётся обоими токами, но токи, I 1 и I 2 изменяются в противофазах, т.е. имеют сдвиг фаз 180°

I 1 в режиме нагрузки значительно больше тока I 1 холостого хода. Для амплитудных значений напряжения на обмотках можно записать: U 2 /U 1 =n 2 /n 1 =k Но это соотношение применимо только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствие потери энергии на тепло. У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышают 1-2%, следовательно применимы к теории идеального трансформатора.

Если пренебречь потерями, то мощность Р1 потребляемая трансформатором от источника переменного тока равна мощности Р2, передаваемой нагрузке, тогда: U 1 I 1 =U 2 I 2 Что говорит о том, что токи в обмотках обратно пропорциональны числу витков: I 1 /I 2 =U 2 /U 1 =n 2 /n 1 =k k – коэффициент трансформации При k 1 – повышающим; Зная, что U 2 =Rн I 2 U 1 /I 1 = Rн/k Т.е. трансформатор «трансформирует» не только напряжение, силу тока, но и сопротивление

В современной технике нашли широкое применение трансформаторы различных конструкций. В радиотехнике используются небольшие маломощные трансформаторы, имеющие несколько обмоток;

В электротехнике часто применяют, так называемые трёхфазные трансформаторы, которые одновременно повышают или понижают до3-х напряжений сдвинутых по фазе на 120° друг от друга Мощные трёхфазные трансформаторы используются в линиях электропередач на большие расстояния

История трансформатора Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории. [1] [1] Столетов Александр Григорьевич (профессор МУ) сделал первые шаги в этом направлении обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (80-е). [1] Столетов Александр ГригорьевичМУпетлю гистерезиса ферромагнетика [1] Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей. [1]Гопкинсонытеорию электромагнитных цепей [1] В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.1831 годуМайклом Фарадеем Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока [2].1831 годуФарадеяГенринапряженийтоков [2] В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку. Она явилась прообразом трансформатора. [1]индукционную катушку [1] 30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки. 30 ноября1876 годапатентаЯблочковым Павлом Николаевичем Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон [2] году [2] Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток. [3]охлажденияизоляции [3]

История трансформатора С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо- Добровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока, построил первый трёхфазный асинхронный двигатель и первый трёхфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 КВт при напряжении 95 В.Михаил Осипович Доливо- Добровольскийтрёхфазнуюасинхронный Франкфурте-на-Майне 1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии Московский электрозавод). [4] [4] В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния. [5]Роберт Хедфилд [5] Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз. [5]прокатки [5]

Виды трансформаторов В технике нашли широкое применение многие виды трансформаторов ( с иловой трансформатор, автотрансформатор, трансформатор тока, трансформатор напряжения, импульсный трансформатор, разделительный трансформатор и другие )

Базовые принципы действия трансформатора Схематическое устройство трансформатора. 1 первичная обмотка, 2 вторичная Работа трансформатора основана на двух базовых принципах: Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм) электрический ток магнитное полеэлектромагнетизм Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)ЭДСэлектромагнитная индукция

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток во всех обмотках, который возбуждает ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.магнитный поток электромагнитной индукцииЭДСпервой производной В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Уравнения идеального трансформатора Идеальный трансформатор трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток [14]. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков [15]. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии: [14] [15]

Обозначение на схемах 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).

Применение трансформаторов Наиболее часто трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов. электросетяхисточниках питания

Применение в источниках электропитания Компактный сетевой трансформатор

Схема передачи электроэнергии