Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії змінного струму

Трансформатор

Трансформатор — це прилад для перетворення сили струму і напруги при незмінній частоті.

Винахідники трансформатора

У 1848 р. французький механік Г. Румкорф винайшов індукційну котушку. Вона стала прообразом трансформатора

У 1885 році угорські інженери М. Дері та О. Блат разом з К. Зіперновскім розробили трансформатори із замкнутим магнітопроводом. З'явилася система розподілу електроенергії

Будова трансформатора

Трансформатор складається осердя замкненої форми, що виготовлене з м’якого феромагнетика, та двох обмоток, надітих на осердя. Первинна обмотка – з’єднана з джерелом змінної напруги, а вторинна обмотка приєднана до споживача. Осердя набирається з тонких ізольованих листів трансформаторної сталі для зменшення вихрових струмів , які б його розігрівали.

1 - первинна обмотка

2 - магнітопровід

3 - вторинна обмотка

Ф - магнітне поле

$U_1$ - напруга первинної обмотки

$U_2$ - напруга вторинної обмотки

Фізичні властивості трансформатора

Принцип дії трансформатора засновано на явищі електромагнітної індукції. Під час проходження змінного струму в первинній обмотці в осерді виникає змінний магнітний потік, залізне осердя передає магнітний потік від первинної обмотки до вторинної і збуджує ЕРС самоіндукції у вторинній обмотці. Використовуючи закон електромагнітної індукції:

$\varepsilon_1=-N_1\frac{\Delta\Phi}{\Delta t},\varepsilon_2=-N_2\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$ $\implies$ $\frac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2}=\frac{N_1}{N_2}$

N - кількість витків в обмотках,

Ф - магнітний потік,

t - час

$\varepsilon$ - електрорушійна сила

Якщо до кола вторинної обмотки під’єднати споживач струму, то трансформатор працюватиме під навантаженням. Струм, що з’явився у вторинній обмотці, створює свій магнітний потік, який за правилом Ленца прагне компенсувати зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до автоматичного збільшення сили струму в первинній обмотці. Збільшення сили струму у колі первинної обмотки відбувається за законом збереження енергії. Потужність у первинному колі близька до потужності у вторинному колі:

$P_1\thickapprox P_2\implies I_1U_1\thickapprox I_2U_2\implies\frac{I_1}{I_2}=\frac{U_2}{U_1}$

Коефіцієнт трансформації

Якщо коло вторинної обмотки розімкнене, то таке явище називають холостим ходом трансформатора ($I_2=0$). У цьому разі напруга на вторинній обмотці дорівнює ЕРС на вторинній обмотці $U_2=\varepsilon_2$ а ЕРС на первинній приблизно рівна напрузі на первинній обмотці $U_1=\varepsilon_1$тому під час холостого ходу:

$\frac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2}=\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}=k$,

k – коефіцієнт трансформації

якщо k > 1, напруга $U_2<U_1$ трансформатор є знижувальним

якщо k < 1, то $U_2>U_1$ трансформатор є підвищувальним

ККД трансформатора

$\eta=\frac{P_2}{P_1}100\%$ або $\eta=\frac{I_2U_2}{I_1U_1}100\%$

Класифікація трансформаторів

1. за призначенням: вимірювальні; для захисту; проміжні (для увімкнення вимірювальних пристроїв у струмові кола релейного захисту, для вирівнювання струмів у схемах диференціального захисту і т.і.) і лабораторні (високої точності з багатьма коефіцієнтами трансформації);

2. за типом установки: для установки назовні у відкритих розподільних пристроях; для закритої установки; вбудовані в електричні апарати і машини; накладні, що розміщуються зверху на прохідних ізоляторах; переносні для контрольних вимірювань і лабораторних випробувань;

3. за конструкцією первинної обмотки: багатовиткові, одновиткові та шинні;

4. за виконанням ізоляції: з сухою ізоляцією (фарфор, лита епоксидна ізоляція); з паперово-масляною ізоляцією; залиті компаундом;

5. за кількістю ступенів трансформації: одноступеневі та двоступеневі (каскадні);

6. за робочою номінальною напругою: до 1000 (В) і більше від 1000 (В)

Основні етапи виробництва, передання й споживання електроенергії

Підготувати есе на тему "Застосування трансформаторів" . Написати есе в зошит. Фото роботи можна прикріпити тут, надіслати вчителю в особисті повідомлення або принести зошит на наступний урок