Трансформатор. Виды трансорматоров. Использование

Тема проекта: «Трансформатор»

по предмету: физика

г. Таганрог 2022г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………..…………………………………….……...3

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРЕ………...4

1.1. История возникновения трансформатора……………………………...……4

1.2. Устройство трансформатора. Работа трансформатора..................................5

1.3. Типы трансформаторов………………………………………………………6

1.4 Виды трансформаторов……………………………………………………….8

1.5 Применения в источниках электропитания………………………………...11

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ………………………………………….15

1.1.Сборка конструкции и проверка работы……………………………………15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………….……...……………….…………………….…...17

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………...……..18

ВВЕДЕНИЕ

В нашей жизни есть большое количество различных устройств: мобильные телефоны, компьютеры, акустические системы, телевизор и много других. Когда мы пользуемся каким либо девайсом мы порой не задумываемся как он работает и из чего он состоит. На самом деле есть много электрических компонентов без которых работа их была бы невозможной. Одной из таких частей является трансформатор. Это универсальное устройство одно из главных в аппаратуре. То же питание от розетки 220В, так же работа трансформатора. Трансформатор действительно гениальное устройство придуманное человеком.

Цель работы:

-рассказать об устройстве трансформатора;

- провести эксперименты, демонстрирующие наглядно работу трансформатора.

Задачи исследования:

-узнать виды трансформаторов;

-показать принцип работы трансформатора в домашних условиях

Объект исследования: трансформатор

Методы исследования: наблюдение, проведение опыта, анализ, изучение теоретических материалов

Актуальность: трансформаторы окружают нас во многих местах в повседневной жизни, поэтому расширение знаний и изучение их будет актуально.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРЕ
1.1 История возникновения трансформатора

Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.

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. 29 августа 1831 года Фарадей описал в своём дневнике опыт, в ходе которого он намотал на железное кольцо диаметром 15 см и толщиной 2 см два медных провода длиной 15 и 18 см. При подключении к зажимам одной обмотки батареи гальванических элементов начинал отклоняться гальванометр на зажимах другой обмотки. Так как Фарадей работал с постоянным током, при достижении в первичной обмотке его максимального значения, ток во вторичной обмотке исчезал, и для возобновления эффекта трансформации требовалось отключить и снова подключить батарею к первичной обмотке.
30 ноября 1876 года, дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочкиным, считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон [2,41].

В 1885 г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.

Братья Гопкинсон разработали теорию электромагнитных цепей. В 1886 году они научились рассчитывать магнитные цепи.

Эптон, сотрудник Эдисона, предложил делать сердечники наборными, из отдельных листов, чтобы снизить потери на вихревые токи.

Большую роль для повышения надёжности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д. Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надёжность изоляции обмоток[1,6].

1.2. Устройство трансформатора. Работа трансформатора

Трансформатор - это главнейший элемент всей энергосистемы, который позволяет преобразовывать напряжение и за счет этого передавать энергию на значительное расстояние.

На рисунках 1.1., 1.2., 1.3. представлены 3 вида трансформаторов [8,65].

Рис. 1.1. Трансформатор, состоящий из одной катушки

Рис 1.2. Трёхфазный масляный генератор

Рис. 1.3. Трансформатор трёхфазный сухой

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[3,15].

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 рисунке1.4.

Рис.1.4. Устройство трансформатора

1.3. Типы трансформаторов

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения количества витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным (рисунок 1.5).

Рис. 1.5. Устройство разделительного трансформатора

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 (рисунок 1.6)[7,22-25].

Рис. 1.6. Устройство повышающего трансформатора
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.
Трансформаторы такого тип чаще всего применяются в быту они стоят для питания каких-либо приборов (рисунок 1.7.).

Рис.1.7. Устройство понижающего трансформатора

1.4. Виды трансформаторов

Силовой трансформатор переменного тока  - трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями. Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП (35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт)[6,43]. Силовой трансформатор переменного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях переменного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных и специальных трансформаторов.




Рис. 1.8. Автотрансформатор

Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую, представлен на рисунке 1.8. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно[10].

Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземлённых сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4. Существенным достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Рис. 1.9. Трансформатор тока

Трансформатор тока — трансформатор, первичная обмотка которого питается от источника тока, представлен на рисунке 1.9. Типичное применение — для снижения тока первичной обмотки до удобной величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации, кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку (в отличие от шунтовых схем измерения тока). Обычно номинальное значение тока вторичной обмотки распространённых трансформаторов 1 А или 5 А. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с нагрузкой, переменный ток в которой необходимо контролировать, а во вторичную обмотку включаются измерительные приборы или исполнительные и индикаторные устройства, например, реле[13].

Вторичная обмотка токового трансформатора должна работать в режиме, близком к режиму короткого замыкания. При случайном или умышленном разрыве цепи вторичной обмотки на ней наводится очень высокое напряжение, которое может вызвать пробой изоляции, повреждение подключённых устройств.

При работе вторичной обмотки в режиме короткого замыкания отношение токов обмоток близко к (в идеальном случае равно) коэффициенту трансформации.

Рис. 1.10. Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения  - трансформатор, питающийся от источника напряжения, рисунок 1.10. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения[12].



Рис. 1.11. Импульсный трансформатор
Импульсный трансформатор - это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса (рисунок 1.11.). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности [4,10].

Сварочный трансформатор – прибор, служащий для выполнения электродуговой сварки, схема устройства данного трансформатора представлена на рисунке 1.12. Существуют различные подвиды данного трансформатора, которые между собой различаются техническими характеристиками[11].


Рис. 1.12. Схема устройства сварочного трансформатора
1.5. Применение в источниках электропитания
Для питания разных узлов электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины, содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками или содержат в схеме дополнительные трансформаторы. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до нескольких киловольт (для питания анода кинескопа через умножитель напряжения).

В прошлом в основном применялись трансформаторы, работающие с частотой электросети, то есть 50-60 Гц. В схемах питания современных радиотехнических и электронных устройств (например в блоках питания персональных компьютеров) широко применяются высокочастотные импульсные трансформаторы. В импульсных блоках питания переменное напряжение сети сначала выпрямляют, а затем преобразуют при помощи инвертора в высокочастотные импульсы. Система управления с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет стабилизировать напряжение. После чего импульсы высокой частоты подаются на импульсный трансформатор, на выходе с которого, после выпрямления и фильтрации получают стабильное постоянное напряжение[9,25].

В прошлом сетевой трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов (рис. 1.14). Дело в том, что линейные размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого трансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4. Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому современные импульсные блоки питания при одинаковой мощности значительно легче.

Трансформаторы 50-60 Гц, несмотря на их недостатки, продолжают использовать в схемах питания, в тех случаях, когда надо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех, например при высококачественном звуковоспроизведении [5,32].

Самые мощные трансформаторы используют на высоковольтных ЛЭП (рисунок 1.13.).

Рис.1.13. Высоковольтная ЛЭП


Рис. 1.14. Трансформатор, состоящий из ферромагнитного магнитомягкого материала

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1.Сборка конструкции и проверка работы

В качестве примера использования трансформатора, я использовал трансформатор от микроволновой печи (СВЧ).

Рис. 2.1. Проведение эксперимента

На данном рисунке 2.1., мы можем рассмотреть высоковольтный трансформатор от микроволновой печи который мы подключили по данной схеме, которая представлена на рисунке 2.2.

Рис. 2.2. Схема понижающего тестового трансформатора

Таким образом мы наглядно можем увидеть работу трансформатора, и обнаружили насколько большое напряжение проходит через 2 контакта.

Рис. 2.3. Трансформатор для микроволновой печи

В СВЧ печи, для питания магнетрона высоким напряжением, есть трансформатор МОТ-трансформатор для микроволновой печи. Это силовой трансформатор весом около 4кг,мощностью до 1500Вт. Его отличие от других силовых транс. в том что он работает на пределе, в режиме близком к насыщению .Чтобы передать большую мощность, его сетевая обмотка имеет ток холостого хода 2-4А,поэтому магнитопровод МОТа нагревается через несколько десятков минут, для отвода тепла применяют обдув вентилятором.

Рис. 2.4. Устройство трансформатора

Главная формула трансформатора (1) выглядит так:

, (1)

где

U₂  — напряжение на вторичной обмотке

U₁ — напряжение на первичной обмотке

N₁ — количество витков первичной обмотки

N₂ — количество витков вторичной обмотки

k - коэффициент трансформации

В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора, формула (2):

(2)

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Таким образом, исходя из данных формул мы можем рассчитать следующие величины трансформатора (рисунок 2.1.):

P = 1500Вт
I (на высоковольтной обмотке) = 0,75 A
U = 2000В

Выполняя данную проектную работу, я рассмотрел и изучил литературу по трансформаторам, а также на практике показал его работу. С помощью формул я смог рассчитать мощность, силу тока, а также напряжение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной мною работы был проведён сбор и анализ литературных источников. Также на практике я продемонстрировал эксперимент с изменением трансформатора, изучением и измерением получившихся данных о нём, и вероятных ситуациях и делах, в которых этот трансформатор может быть использован.

В проектной работе, были выполнены все цели: рассказано об устройстве трансформатора; провёл опыты и эксперименты, показывающие работу трансформатора в домашних условиях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Афанасьев В.В. - Трансформаторы тока//1989.

2. Вдовин С.С - Проектирование импульсных трансформаторов//1971.

3. Закс М.И.,Каганский Б.А.,Печенин А.А - Трансформаторы для электродуговой сварки//1988.

4. Куневич А.В. - Трансформаторы для быловой и офисной аппаратуры.djvu

5. Малинин Р.М. - Выходные трансформаторы//1963

6. Мартынихин Г. - Расчет тороидальных трансформаторов

7. Матханов П.Н. - Расчет импульсных трансформаторов// 1980

8. Москатов Е. - Теория расчётов импульсных трансформаторов двухтактных ИИП и её подтверждение практ.

9. Подъяпольский А.Н. - Как намотать трансформатор//1953

10. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%800
11. https://zen.yandex.ru/media/elektroradio/transformator-mot-iz-svchpechi-pochemu-on-moscnyi-i-dlia-chego-magnitnye-shunty-5d551f89a2d6ed00adfa79d6
12. https://www.ruselectronic.com/ustrojstvo-transformatora/
13. https://kachestvolife.club/bytovaya-tehnika-2/transformator-ot-mikrovolnovki-kharakteristiki-i-primenenie