Методична розробка відкритого уроку на тему "Трансформатори"

 

Міністерство освіти і науки України

Індустріально – педагогічний технікум Конотопського інституту

Сумського державного університету

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАТЕРІАЛИ ВІДКРИТОГО ЗАНЯТТЯ

Спеціальність: Професійна освіта «Електротехніка»

Група:  121

Дисципліна: Електротехніка з основами електроніки.

Тема: Трансформатори.

Форма організації: лекція.

Викладач Сердюк В.В.

Методична мета: застосування інноваційних засобів і прийомів навчання під час викладення дисципліни.

 

 

 

                                                                                                   

                                                             

 

 

 

 

 

 

     Розглянуто і схвалено на засіданні

Циклової комісії електротехнічних дисциплін                                                                          Протокол №________від_____2014р.

     Голова циклової комісії

___________________________СердюкВ.В.                                                                                                                    
Тема 1.6: Трансформатори.

Тип заняття – лекція.

Навчальна мета: поглибити знання студентів про призначення, будову та принцип дії однофазного трансформатора, формувати знання про принцип трансформації  змінного струму і застосування різних видів трансформаторів у народному господарстві та на будівництві;

Розвиваюча мета: формувати предметну компетентність, розвивати у студентів вміння проводити аналіз інформації, логічне мислення, вміння систематизувати і узагальнювати набуті знання з фізики, електротехніки і спеціальних предметів та усвідомленої потреби до набуття, поглинання, поглиблення та поповнення знань; 

Виховна мета: переконати студента в можливості досягнення поставленої мети, виховувати наполегливість, впевненість у собі, інтерес до вивчення Електротехніки, розуміння її ролі та важливості набутих знань для життя та оволодіння обраною професією; продовжити виховання свідомого відношення до процесу навчання.

Методична мета: застосування інноваційних засобів і прийомів навчання під час викладення дисципліни.

Міжпредметні зв’язки: Фізика (2-й курс, 3-й семестр), Технологія і організація будівельного виробництва та сантехнічних робіт (3-й курс, 5-й семестр).

Наочні посібники: слайди (27 шт.) та опорні конспекти (2 шт.).

Матеріально-технічне забезпечення  навчання: комп’ютер, мультимедійна презентація, відео про будову і принцип дії трансформатора, модель трансформатора.

Тривалість заняття – 80 хв.

Місце проведення – аудиторія 303.

Література:

Література

1. Данилов И.А. "Общая электротехника с основами электроники", М "ВШ", 2005, с. 111-116;182-199.
2. Ю.Г. Сиднеев «Электротехника с основами электроники», Ростов-на-Дону, «Феникс»2005, с.78-83;155-171.
3. Малинівський С.М. "Загальна електротехніка", "Львів", "Л. політ", 2001,с.121-133;234-296;308-310.

 

ХІД ЗАНЯТТЯ

І. Організаційний момент. (Перевірка присутніх на занятті, з’ясування у чергового причин відсутності, повідомлення теми і мети заняття) (слайд 1)

ІІ. Актуалізація опорних знань. (бесіда) (слайд 2)

1. Сформулюйте закон Джоуля-Ленца?
2. Які струми називаються вихровими, їх сутність?
3. Явище електромагнітної індукції?

 

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності. (слайд 3)

Споживачами  електроенергії є підприємства, організації, великі та малі будинки, а виробляється електроенергія на електростанціях, тому виникає потреба передавати її від джерела до споживача на великі відстані. Як знизити втрати у лініях електропередач? Електрорушійна сила генераторів електростанцій велика. При передачі використовується напруга в сотні тисяч кіловольт. Але на  практиці більшість споживачів потребують електроенергію напругою 220В, а в промисловості – 360В і 600В. Напругу потрібно постійно перетворювати.  Отже перед нами два проблемні питання:

1.                 Як передати енергію з  найменшими втратами?
2.                 Як перетворити напругу з високої на низьку і навпаки?  

 

План лекції (слайд 4)

1. Загальні відомості, призначення та класифікація трансформаторів. 

2. Принцип дії і будова однофазного трансформатора.

3. Режими роботи трансформатора. Втрати енергії в трансформаторі.

4. Паралельна робота трансформаторів.

5. Трифазні і спеціальні трансформатори.

6. Явище електромагнітної індукції, само- і взаємоіндукція. (самостійна робота).

 

ІІ. ВИКЛАДЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Загальні відомості, призначення та класифікація трансформаторів.

1. Трансформатор — статичний електромагнітний пристрій із двома або більшим числом індуктивно зв'язаних обмоток, призначений для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги при сталій частоті. .(слайд 5)

Потужні силові трансформатори встановлюють на електростанціях для підвищення електричної енергії генераторів. Передача електроенергії по лінії електропередачі високою напругою і малими струмами значно зменшує втрати потужності, що дає можливість зменшити переріз проводів та істотно знизити витрати кольорового металу.

У кінці лінії електропередачі встановлюють трансформатори, які знижують напругу до рівня, необхідного для розподілу її між великими споживачами (міста, населені пункти, промислові під­приємства, цехи підприємств та ін.).

У місцях споживання електроенергії встановлюють трансформатори, які знижують напругу до експлуатаційної. Більшість спо­живачів працюють при напрузі 220, 380 і 660 В.

Отже, електроенергія, яка передається від електростанції до електроприймачів, трансформується декілька разів. Спочатку підвищується, а потім знижується.

(слайд 6)

Трансформатори класифікують за наступними ознаками: (слайд 7)

 

Силові трансформатори призначені для перетворення електричної енергії в електричних мережах та в установках для її приймання і використання.

Трансформатори, призначені для підвищення напруги, називаються підвищувальними, а трансформатори, призначені для зниження напруги,— знижувальними.

Трансформатори, призначені для розширення меж вимірювання називаються вимірювальними. Вони поділяються на вимірювальні трансформатори струму та вимірювальні трансформатори напруги.

До трансформаторів спецпризначення відносяться: автотрансформатори,  узгоджувальні, імпульсні, зварювальні та інші.

Трансформатори широко використовують у радіо- і телеапаратурі, у вимірювальних пристроях, місцевому освітленні тощо.

Із спеціальних типів трансформаторів на будівництві широко застосовують:  зварювальні трансформатори, понижуючі трансформатори для електроінструментів і переносних світильників та трансформаторів для прогріву бетону.

По числу фаз трансформатори поділяють на одно і трифазні.

Залежно від потужності трансформатори випускають з природним охолодженням і масляним. Активні частини трансформаторів у потужних енергетичних установках занурюють в мінеральне трансформаторне масло для кращого відведення тепла і поліпшення ізоляції.

Трансформатори малої потужності випускають з повітряним охолодженням.

Трансформатори характеризуються наступними параметрами: (слайд 8)

1. Коефіцієнт трансформації

2. Коефіцієнт корисної дії трансформатора досягає 99%

 .

3. Потужністю трансформатора.

4. трансформатора.

5. трансформатора.

Принцип дії і будова однофазного трансформатора. (слайд 9-10)

2.Трансформатор являє собою замкнений магнітопровід на якому розташовані дві або декілька обмоток.

 Первинна – з числом витків , до якої підводиться напруга мережі, і вторинна – з числом витків , до якої приєднуються споживачі електроенергії.

 Магнітопровід призначений для підсилення електромагнітного зв’язку між первинною і вторинною обмотками трансформатора. Одна із обмоток трансформатора, розрахована на більшу напругу називається обмоткою ВН, а друга – НН.

 Якщо , то трансформатор –   підвищуючий.

  Якщо , то трансформатор – понижуючий.

 Обмотки ВН і НН умовно мають початок і кінець, які відповідно позначаються на стороні ВН – А і Х, а на стороні НН – а і х.

Демонстрація фільму «Будова трансформаторів»

Дія трансформатора основана на явищі електромагнітної індукції. При підключенні трансформатора до мережі змінного струму з напругою в первинній обмотці проходить струм  і₁. Під дією намагнічуючої сили збуджується змінний у часі магнітний потік Ф. Більша частина потоку Фназивається основним магнітопотоком Ф, Ф_р1 і Ф_р2 – первинний і вторинний потоки розсіювання.

 У відповідності до закону електромагнітної індукції, пронизуючий обмотки трансформатора основний магнітний потік Ф індукує в них електрорушійну силу е₁ і е₂. Якщо до вторинної обмотки приєднати споживач Z_Н , то під дією електрорушійної сили е₂ по цій обмотці потече змінний струм і.

 Саме так за допомогою змінного магнітного потоку Ф здійснюється передача енергії із первинної обмотки у вторинну.

 Демонстрація фільму «Принцип дії трансформатора»

Режими роботи трансформатора. Втрати енергії в трансформаторі. (слайд 11)

 

3. Режимом холостого ходу трансформатора називається такий режим його роботи, при якому до первинної обмотки підводиться номінальна напруга, а вторинна обмотка розімкнена.

У режимі холостого ходу трансформатора у вторинній обмотці немає струму, оскільки його електричне коло розімкнуте. Отже, вторинна обмотка не впливає на режим роботи первинної обмотки. (слайд 12)

 

Мал.. Схема режиму холостого ходу

Під час подачі номінальної напруги на первинну обмотку вимірювальні прилади покажують струм холостого ходу , втрати потужності , напругу вторинної обмотки .

 Відношення показань вольтметрів дорівнює коефіцієнту  трансформації трансформатора:

 .

 Активна потужність в режимі холостого ходу витрачається на втрати потужності в магнітопроводі та на електричні втрати в первинній обмотці:

 =.

Оскільки активний опір первинної обмотки  і струм холостого ходу Імалі, то втрати в обмотці незначні. А це означає, що ватметр показує потужність втрат у магнітопроводі трансформатора:

≈

 На підставі цих випробувань можна визначити активний опір , реактивний опір , та повний опір первинного кола трансформатора, а також активну і реактивну складові струму.

 Режим, при якому одна із обмоток трансформатора живиться від джерела змінної напруги, а вторинна – замкнена накоротко називається режимом короткого замикання. (слайд 13)

Мал.. Схема режиму короткого замикання

 Режим короткого замикання для трансформатора є аварійним, а тому при випробуваннях встановлюють напругу первинної обмотки значно меншу ніж номінальна, з таким розрахунком, щоб струми в обмотках не перевищували номінальних значень та . Ця напруга називається напругою короткого замикання _1кз. Мала напруга короткого замикання створює в трансформаторі і малий магнітний потік Ф. Магнітні втрати в сталі в свою чергу пропорційні квадрату магнітного потоку Ф і значно менші від втрат в обмотках трансформатора. Фактично ватметр буде показувати потужність , яка буде йти на нагрівання його обмоток:

=

 Отже потужність буде дорівнювати втратам в  обмотках трансформатора при номінальному навантаженні:

≈

 Дослід короткого замикання проводять для визначення і потужності втрат в обмотках.

Робота під навантаженням (слайд 14)

При режимі навантаження первинна обмотка ввімкнена на  номінальну напругу, а до вторинної під’єднаний споживач електроенергії.

Втрати електроенергії в трансформаторах не перевищують 2 – 3%.

 

Паралельна робота трансформаторів. (слайд 15)

4. Подрібнення загальної трансформаторної потужності шляхом встановлення на підстанції декількох трансформаторів дозволяє в часи малого навантаження вмикати частину з них, а в часи великого навантаження – вмикати всі трансформатори на паралельну роботу; в результаті зменшуються втрати енергії і підвищується ККД підстанції; одночасно підвищується і надійність системи розподілу електроенергії.

При паралельній роботі первинні обмотки трансформаторів вмикаються в загальне первинне коло, а вторинні – в загальне вторинне коло.

Схема паралельного вмикання однофазних трансформаторів.

Для забезпечення повного використання трансформаторів за потужністю необхідно, щоб струм навантаження розподілявся між паралельно ввімкненими трансформаторами пропорційно їх потужності. Ця вимога в розглянутій схемі задовольняється при:

1) рівності коефіцієнтів трансформації трансформаторів (при цьому первинні напруги трансформаторів однакові);

2) рівності U_кз трансформаторів.

Якщо на паралельну роботу вмикаються трифазні трансформатори, то вони повинні належати до однієї групи з’єднання обмоток.

Трифазні і спеціальні трансформатори. (слайд 16,17)

5. Трифазні трансформатори призначені для перетворення електричної енергії змінного струму з одним співвідношенням лінійних напруг і струмів в електричну енергію з іншим співвідношенням напруг і струмів при незмінній частоті.

Будь-який силовий трансформатор має: стальне осердя, яке набирається з тонких стальних листів і є магнітопроводом і обмоток – високої і низької напруги. Для приєднання проводів до кінців обмоток служать спеціальні прохідні ізолятори, які називаються виводами високої і низької напруги. Осердя вкупі з насадженими на нього котушками обмоток і кришкою з виводами складають активну частину трансформатора.

В трансформаторах середньої і великої потужності магнітопровід з обмотками занурюють в бак, заповнений ретельно очищеним трансформаторним маслом, оскільки воно, маючи більш високу теплопровідність, ніж повітря, добре відводить тепло від обмоток, забезпечує підвищення електричної міцності ізоляції його обмоток і запобігає її старінню під дією атмосферних впливів. У трансформаторів середньої потужності (20- 30кВА) виділяється порівняно невелика кількість тепла, а тому їх баки мають гладкі стінки; у більш потужних трансформаторів поверхню охолодження бака штучно збільшують, застосовуючи ребристі або хвилясті стінки, або забезпечують бак системою труб, в яки масло циркулює за рахунок конвекції.

Масло в трансформаторі під час роботи нагрівається і розширюється. При зменшенні навантаження воно, охолоджуючись, повертається до попереднього об’єму. Тому масляні трансформатори обладнують розширювачем, який з’єднується з внутрішньою порожниною основного баку. При нагріванні масла воно переходить в розширювач. Застосування розширювача дозволяє значно скоротити поверхню контактування масла з повітрям, що зменшує його забруднення і зволоження. На розширювачі встановлюють вказівник рівня масла на якому є три мітки, які вказують нормальний рівень масла для температури оточуючого повітря +35⁰, +15⁰, -35⁰С. На кришці основного баку встановлюють покажчик температури.

Для захисту від можливих аварій трансформатори середньої і великої потужності обладнують спеціальними газовими реле, які встановлюють між основним баком і розширювачем. При значному виділенні вибухонебезпечних газів, що виникають при розкладанні масла, реле автоматично вимикає трансформатор. В трансформаторах потужністю більше 1000кВА встановлюють також вихлопну трубу, яка закрита скляною мембраною. Утворені в великій кількості гази видавлюють мембрану і виходять в атмосферу, запобігаючи деформації бака.

Три первинні й три вторинні обмотки трифазного трансформатора можуть бути з'єднані зіркою (Υ) або трикутником (Δ). Група з'єднання обмоток трифазного трансформатора визначається кутом між векторами лінійної напруги первинної та вторинної обмоток трансформатора.

При з'єднанні обмоток зірка — зірка (Υ / Υ) (рис. 6.7, а) кут зміщення векторів відповідних лінійних напруг дорівнює нулю, такі трансформатори належать до групи Υ / Υ — 0.

При з'єднанні обмоток зірка — трикутник (Υ / Δ) (рис. 6.7, б) кут зміщення векторів відповідних лінійних напруг дорівнює 330°=30°×11, і трансформатори належать до групи Υ / Δ —11.

Для роботи на будівельних майданчиках застосовуються тільки масляні трансформатори, оскільки сухі трансформатори не придатні для роботи в умовах підвищеної вологості. Вони використовуються в будівлях з підвищеними вимогами пожежної безпеки (наприклад кінотеатри).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Силовий трифазний трансформатор

1 – магнітопровід;

2 – обмотка ВН;

3 – обмотка НН;

4 – стальний бак з трансформаторним

      маслом;

5 – прохідні ізолятори виводів обмотки

      ВН;

6 – прохідні ізолятори виводів обмотки

      НН;

7 – перемикач РПН;

8 – охолоджуючі труби;

9 – розширювальний бачок;

10 – вимірювач рівня масла;

11 – заливний отвір;

 

 

 

Автотрансформатор — це трансформатор, у якого дві (або більше) обмотки зв'язані гальванічно і мають спільну частину. (слайд 18-20)

Принципіальна схема понижуючого автотрансформатора

Автотрансформатори бувають однофазними і трифазними, підвищувальними і знижувальними.

Автотрансформатор, в якого первинна обмотка є частиною вторинної, називається підвищувальним. Автотрансформатор, в якого вторинна обмотка є частиною первинної, називається знижувальним.

В автотрансформаторі електрична енергія з первинної обмотки передається у вторинну через гальванічний зв'язок і безпосередньо змінним магнітним потоком.

Автотрансформатори використовують в енергетиці, пристроях автоматики, радіоелектроніки, у побутовій техніці, лабораторіях та ін.

Усі процеси, які виникають під час роботи автотрансформатора, подібні до процесів, що відбуваються в двообмотковому трансформаторі.

При малих коефіцієнтах трансформації (k < 2) автотрансформатори мають ряд переваг перед двообмотковими: менша маса магнітопроводу і проводу обмоток; дешевші; мають більший коефіцієнт корисної дії. Але із збільшенням коефіцієнта корисної дії трансформації ці переваги зменшуються. Вони також мають обмеження щодо їхнього використання. Оскільки в автотрансформаторах є гальванічний зв'язок, їх не можна використовувати для живлення розподільних мереж низької напруги від мережі високої напруги, бо при пробиванні ізоляції автотрансформатора створюються небезпечні умови для обслуговуючого персоналу.

У мережах змінного струму використовують вимірювальні трансформатори напруги й струму. (слайд 21-24) Вони призначені для розширення меж вимірювання електровимірювальних приладів, а також дають можливість ізолювати їх від високої напруги, що створює безпечні умови роботи обслуговуючого персоналу.

Вимірювальні трансформатори напруги призначені для вмикання вольтметрів, котушок напруги ватметрів, лічильників, реле і фазометрів, розрахованих на роботу із стандартними електроприладами напругою 100 В. Їх виготовляють як знижувальні двообмоткові трансформатори.

Первинну обмотку трансформатора (рис. 6.9) вмикають на вимірювальну високу напругу, а до вторинної вмикають електровимірювальні прилади. Вторинна обмотка надійно ізольована від первинної, а також заземлена.

Опір обмоток напруги електровимірювальних приладів великий, а тому вимірювальний трансформатор напруги працює в режимі, що близький до холостого ходу.

Падіння напруги у вторинній обмотці незначне (U₂ = Е₂).

Падіння напруги у первинній обмотці зумовлене тільки струмами холостого ходу трансформатора.

Вторинну напругу трансформатора можна вважати пропорційною первинній:

У трансформаторі струму, як і в двообмотковому, є феромагнітне осердя, на якому розміщено первинну і вторинну обмотки.

Первинну обмотку трансформатора струму вмикають в електричну мережу послідовно з вимірювальним об'єктом, а до вторинної обмотки вмикають послідовно амперметр і струмові кола інших вимірювальних приладів (ватметрів, лічильників тощо).

За правилами безпеки праці вторинну обмотку трансформатора струму обов'язково заземлюють.

Струми первинних обмоток трансформаторів струму досягають десятків і тисяч ампер, а напруга первинної обмотки коливається від десятків до сотень мілівольт. Невеликий магнітний потік у магнітопроводі утворює невелику е.р.с. Е₂, яка досягає не більше 10 В.

При відсутності вимірювальних приладів вторинна обмотка трансформатора повинна бути замкнена накоротко. При розімкнутій вторинній обмотці магніторушійна сила трансформатора струму збільшується у багато разів, і, як наслідок, дуже зростає магнітний потік у його осерді. Це призводить до різкого збільшення магнітних втрат у сталі, перегрівання осердя трансформатора, а також до виходу його з ладу. Оскільки е.р.с. Е₂ пропорційна магнітному потоку, то напруга на розімкнутих затискачах вторинної обмотки може досягти небезпечного значення для обслуговуючого персоналу (декілька сотень або тисяч вольт).

Коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора напруги визначається відношенням номінальних значень напруг первинної та вторинної обмоток:

Коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора струму визначається відношенням номінальних значень струмів первинної та вторинної обмоток.

Ціна поділки вольтметра, амперметра і ватметра визначається:

    

де С_В, С_А, С_Вт — відповідно ціна поділки вольтметра, амперметра і ватметра; С^‘_в, С^‘_А, С^‘_Вт — відповідно ціна поділки вольтметра, амперметра та ватметра з трансформаторами напруги і струму.

V. Закріплення нового матеріалу. (слайд 25)

1) Як передати енергію з  найменшими втратами?

2) Як перетворити напругу з високої на низьку і навпаки?  

VІ. Підведення підсумків. (слайд 26)

Висновок:  щоб  знизити втрати   в лініях електропередач  потрібно збільшити напругу змінного струму за допомогою підвищувальних трансформаторів.

Так генератори виробляють струм напругою від 6 до 20 кВ, а трансформатори її підвищують до декількох  сотень кіловольтів. Після цього електричний струм подають на лінії електропередач.

На місцях споживання електроенергії за допомогою знижувальних трансформаторів напругу зменшують і далі електроенергія передається по низьковольтним лініям передач.  Біля будинків знаходяться трансформаторні будки,  у  яких  напруга змінного струму зменшується за допомогою знижувального трансформатора до 220 В і подається  в електромережу.

VІІ. Оголошення домашнього завдання. (слайд 27)