STEAM - день на тему: «Вивчаючи фізику, ми наближаємось до професії»

STEM - день

«Вивчаючи фізику, ми наближаємось до професії»

(працюємо на одну ідею)

Тема. Трансформатор. Передача електричної енергії.

Мета заходу. Розвиток різних компетентностей при вивченні будови та принципу дії трансформатора, його видів та можливості передачі електричної енергії на великі відстані. Популяризація фізики та її зв’язки з спецпредметами.

Опис. В заході приймають участь викладачі фізики, спецтехнології зварювальних робіт, електротехніки, матеріалознавства,  спецтехнології електромонтажних робіт, історії, англійської мови.

Викладачі  відпрацьовують вивчення матеріалу на різних уроках, кожен зі своєю специфікою. Працює творча лабораторія зі створення трансформатора, з розрахунком його параметрів та макету «Лінії електропередач» .

Істрорія .

Цей день в історії.

У 1831 році англійським фізиком Майклом Фарадеєм при проведенні ним основоположних досліджень було відкрите явище електромагнітної індукції, що лежить в основі принципу роботи електричного трансформатора.

Вперше трансформатори, як такі були продемонстровані в 1882 році, хоча ще в 1876 році Яблочков П. М. запатентував (патент Франції № 115793 від 30 листопада 1876 року) аналогічний пристрій для створених ним освітлювальних пристроїв — «свічок Яблочкова». Це був трансформатор з розімкнутим сердечником, у вигляді стержня, на який намотувались обмотки.

У 1885 р. угорські інженери фірми «Ganz factory» Отто Блаті, Карл Зіперновскі і Мікша Дері винайшли трансформатор із замкнутим  магнітопроводом, що зіграло важливу роль у подальшому розвитку конструкцій трансформаторів.

Велику роль для підвищення надійності трансформаторів зіграло застосування масляного охолодження (кінець 1880-х років, Джордж Свінберн). Свінберн розташовував трансформатори у керамічних посудинах, заповнених оливою, що суттєво підвищувало надійність ізоляції обмоток.

Винахід трансформатора був важливим фактором у так званій війні струмів — конкурентній боротьбі за те, який електричний струм, постійний чи змінний ефективніший для масового користування.

З винайденням трансформатора виник технічний інтерес до змінного струму. Електротехнік російського походження М. О. Доліво-Добровольський у 1889 р. розробив для німецької фірми «Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft» перший трифазний трансформатор. На електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні у 1891 р. Доліво-Добровольський демонстрував дослідну високовольтну електропередачу трифазного струму на відстань 175 км. Трифазний генератор мав потужність 230 кВт при напрузі 95 В.

У 1891 році Нікола Тесла винайшов резонансний трансформатор для генерування високої напруги при високій частоті.

Фізика.

 Будова та принцип дії трансформатора.

Найпростіший трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обмоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потіквикликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках.

Таким чином, перетворення напруги й сили струму в трансформаторі визначається кількістю витків у первинній та вторинній обмотках. Напруга пропорційна кількості витків, тоді як сила струму обернено пропорційна їй.

У багатьох випадках розв'язування фізичних задач може бути джерелом нових теоретичних чи практичних висновків. Іноді навіть кажуть що розвиток фізичної науки є послідовним розв'язуванням задач, що постають. Розглянемо одну з таких задач.

Задача. Електроенергію від електростанції потужністю 62 кВт передають за допомогою лінії з опором 5 Ом. Визначити втрату напруги і потужності в лінійних проводах та коефіцієнт корисної дії передачі енергії у разі, коли передача здійснюється за напруги на електростанції: 1)  620 В; 2)  6200 В.

Спецтехнологія зварювальних робіт.

Режими роботи трансформатора.

Режим холостого ходу

Трансформатор може працювати в режимі холостого ходу, коли вторинне коло розімкнене (навантаження відсутнє), {\displaystyle Z_{S}=\infty ;I_{S}=0}. За допомогою дослідження холостого ходу можна визначити ККД трансформатора, коефіцієнт трансформації, а також втрати в осерді.

У режимі холостого ходу для трансформатора з сердечником з магнітом'якого матеріалу струм холостого ходу характеризує величину втрат в осерді (на вихрові струми і на гістерезис) та реактивну потужність перемагнічування магнітопроводу. Потужність втрат можна обчислити, помноживши активну складову струму холостого ходу на напругу, що подається на трансформатор.

Для трансформатора без феромагнітного осердя втрати на перемагнічування відсутні, і струм холостого ходу визначається опором індуктивності первинної обмотки, який пропорційний до частоти змінного струму та величини індуктивності.

Режим короткого замикання

Режим короткого замикання  можна отримати в результаті замикання вторинної обмотки на коротко. Це аварійний режим, що може призвести до виходу з ладу трансформатора. При цьому струм у вторинній обмотці може бути у 20…30 разів більшим за номінальний. Тому слід відрізняти режим короткого замикання від досліду короткого замикання. За допомогою останнього можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів в колі трансформатора.

При дослідженні режиму короткого замикання, на первинну обмотку трансформатора подається змінна напруга невеликої величини, виводи вторинної обмотки закорочують. Величину напруги на вході встановлюють такою, щоб струм короткого замикання дорівнював номінальному (розрахунковому) струму трансформатора. У таких умовах величина напруги короткого замикання характеризує втрати в обмотках трансформатора, втрати на омічний опір. Потужність втрат можна обчислити помноживши напругу короткого замикання на струм короткого замикання.

Даний режим широко використовується у вимірювальних трансформаторах струму.

Режим навантаження

Режим роботи трансформатора при якому вторинна обмотка замкнута на опір називається режимом роботи трансформатора під навантаженням. При такому режимі роботи у вторинній обмотці буде протікати струм I_S, який створить свій магнітний потік Φ_S, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до автоматичного збільшення сили струму в колі первинної обмотки. Збільшення сили струму в колі первинної обмотки відбувається згідно із законом збереження енергії:

Це означає, що підвищуючи за допомогою трансформатора напругу у кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму (та навпаки). Отже, трансформатор перетворює змінний струм таким чином, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий у первинній і вторинній обмотках.

Електротехніка.

Види трансформаторів. Силовий трансформатор.

Силовий трансформатор — стаціонарний прилад з двома або більше обмотками, який за допомогою електромагнітної індукції перетворює систему змінної напруги та струму в іншу систему змінної напруги та струму, як правило, різних значень при тій же частоті з метою передачі електроенергії без зміни її потужності при передаванні.

Силовий трансформатор використовується для перетворення параметрів електричної енергії в електричних мережах і устаткуванні, що застосовуються для приймання та споживання електричної енергії. Силовий трансформатор застосовується у складі комплектних трансформаторних підстанцій для пониження напруги при подачі електроенергії населеним пунктам.

Термін «силовий» вказує на роботу даного виду трансформаторів з великими потужностями. Необхідність застосування силових трансформаторів зумовлена ​​різною величиною робочих напруг ліній електропередач (35…750 кВ), міських електромереж (як правило 6…10 кВ), напруги що подається кінцевим споживачам (0,4 кВ, вони ж 380/220 В) та напруги, необхідної для роботи електромашин і електроприладів (у досить широкому діапазоні від одиниць вольт до сотень кіловольт).

Силові трансформатори поділяються на сухі, найчастіше використовуються в електромережах і в джерелах живлення різних приладів, і масляні, що працюють при напругах від 6кВ і вище. Масляні трансформатори відрізняються від сухих тим, що як ізоляційне та охолоджувальне середовище застосовується спеціальна трансформаторна олива. Силові масляні трансформатори переважно призначаються для пониження напруги електромереж.

Матеріалознавство.

Магнітопровід.

Магнітопровід являє собою магнітну систему трансформатора, по якій замикається основний магнітний потік. Одночасно магнітопровід служить основою для встановлення та кріплення обмоток, відводів, перемикачів та інших деталей активної частини трансформатора.

Магнітопровід виготовляють з магнітного матеріалу. Для низькочастотних трансформаторів матеріалом служить пермалой, трансформаторна сталь. Для більш високочастотних - ферит.

У високочастотних малопотужних трансформаторів роль сердечника може виконувати повітряне середовище. Справа в тому, що із зростанням частоти перетворення габарити магнітопроводу різко зменшуються.

Магнітопровід збирають з окремих тонких пластин електротехнічної сталі, ізольованих один від одного плівкою спеціального жаростійкого покриття або лаку. Жаростійке покриття зазвичай наносять безпосередньо на металургійному заводі, виготовляючому сталь; плівку лаку – на трансформаторному заводі після різання (штампування) пластин.

                За конструктивним виконанням магнітопроводи для мережевих трансформаторів розділяють на броньові, стрижневі і тороїдальні, а за технологією виготовлення - на пластинчасті (рис. 1) і стрічкові (рис. 2). На рис. 1 і 2 позначені магнітопроводи: а) - броньові, б) - стрижневі, с) - тороїдальні.

У трансформаторах малої (до 300 Вт) і середньої потужності (до 1000 Вт) частіше використовують стрічкові магнітопроводи. А серед стрічкових найбільш застосовні тороїдальні магнітопроводи. Вони мають ряд переваг порівняно з броньовими та стрижневими:

·         Менша маса при однаковій потужності трансформатора приблизно на 25%.

·         Менша індуктивність розсіювання приблизно на 30%.

·         Більший ККД.

·         Менша чутливість до зовнішніх електромагнітних полів.

·         Велика поверхня охолодження обмоток.

Однак їм притаманні і недоліки:

·         Технологічно складний процес намотування котушок.

·         Менша захищеність котушок від механічного впливу.

Броньовий трансформатор має бічні стрижні без обмоток. Така конструкція захищає від пошкоджень мідні обмотки, але й ускладнює їхнє охолодження. Броньові трансформатори найбільш поширені в електроніці. Процес виготовлення такого типу трансформаторів найбільш технологічний, адже у ньому присутній лише один каркас, на якому розміщуються всі обмотки.

Котушка у броньового трансформатора розташовується на середньому стрижні. У стрижневого трансформатора котушки зазвичай знаходяться на обох стержнях, причому кожна котушка містить половинне число витків відповідної обмотки трансформатора. Витки обмоток намотуються шарами на гільзу або каркас. Першою розташовується первинна обмотка, на ній - вторинні обмотки, при одній вторинній обмотці трансформатор називається двохобмотковим, при двох - трьохобмотковим і т.д.

Найкращими параметрами володіють тороїдальні (кільцеві) трансформатори.

Їх конструкція сприяє гарному охолодженню обмоток, магнітний потік найбільш ефективно розподілений навколо обмоток, що зменшує магнітний потік розсіювання. Через магнітний потік розсіювання виникають втрати , що знижує ефективність трансформатора. Найбільший потік розсіювання у броньових трансформаторів.

Тороїдальний трансформатор має ідеальний дизайн, на відміну від трансформаторів іншої конструкції. Фактично, перший трансформатор, розроблений Фарадеєм представляв собою трансформатор на тороїдальному ядрі. Тороїдальні сердечники зроблені з магнітною рулонної трансформаторної сталі з дуже низькими рівнями втрат і високою індукцією насичення. Це досягається шляхом нагрівання тороїдального каркаса до високої температури, а потім його охолодження за спеціальною програмою. Це дозволяє досягти високих ступенів насичення до 16 000 Гаус. У тороїдальному трансформаторі магнітний потік рівномірно розподілений в осерді через відсутність проміжних металевих деталей і технологічних зазорів.

Точно так само, оскільки всі обмотувальні котушки рівномірно розподілені по поверхні сердечника шум, викликаний магнітострикцією фактично, зникає. Також тороїдальний трансформатор має найкращі теплові характеристики, це сприяє хорошому охолодженню трансформатора. Немає необхідності застосовувати вентилятори.

Спецтехнологія електромонтажних робіт.

Застосування в електромережах

Оскільки втрати на нагрівання дроту пропорційні квадрату струму, що проходить через дріт, при передачі електроенергії на великі відстані вигідно використовувати дуже великі напруги і невеликі струми. З міркувань безпеки та для зменшення маси ізоляції в побуті бажано використовувати менші напруги. Тому для найбільш вигідного транспортування електроенергії в електромережі багаторазово застосовують силові трансформатори: спочатку для підвищення напруги  генераторів  на  електростанціях  перед транспортуванням електроенергії, а потім для зниження напруги лінії електропередач  до прийнятного для споживачів рівня.

Оскільки в електричній мережі три фази, для перетворення напруги застосовують трифазні трансформатори, або групу з трьох однофазних трансформаторів, з'єднаних за схемою зірки або трикутника. У трифазного трансформатора сердечник для всіх трьох фаз загальний.

Незважаючи на високий  ККД трансформатора (для трансформаторів великої потужності — понад 99%), в дуже потужних трансформаторах електромереж виділяється велика потужність у вигляді тепла (наприклад, для типової потужності блоку електростанції 1 ГВт на трансформаторі може виділятися потужність до декількох мегават). Тому трансформатори електромереж використовують спеціальну систему охолодження: трансформатор поміщається в бак, заповнений трансформаторним маслом або спеціальною негорючою рідиною. Масло циркулює під дією конвекції або примусово між баком і потужним радіатором. Іноді масло охолоджують водою. «Сухі» трансформатори використовують при відносно малій потужності.

Застосування в джерелах електроживлення

Компактний мережевий трансформатор.

Для живлення різних вузлів електроприладів потрібні найрізноманітніші напруги. Блоки електроживлення у пристроях, які потребують кілька напруг різної величини, містять трансформатори з декількома вторинними обмотками або містять у схемі додаткові трансформатори. Наприклад, в телевізорі за допомогою трансформаторів отримують напруги від 5 вольт (для живлення мiкросхем і транзисторів) до декількох кіловольт (для живлення анода кінескопачерез помножувач напруги).

У схемах живлення сучасних радіотехнічних та електронних пристроїв (наприклад в блоках живлення персональних комп'ютерів) широко застосовуються високочастотні імпульсні трансформатори. В імпульсних блоках живлення змінну напругу мережі спершу випрямляють, а потім за допомогою інвертора перетворюють на високочастотні імпульси. Система управління за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) дозволяє стабілізувати напругу. Після чого імпульси високої частоти подаються на імпульсний трансформатор, на виході з якого, після випрямлення і фільтрації отримують стабільну постійну напругу.

У минулому мережевий трансформатор (на 50-60 Гц) був однією з найважчих деталей багатьох приладів. Справа в тому, що лінійні розміри трансформатора визначаються його потужністю, причому виявляється, що лінійний розмір мережевого трансформатора приблизно пропорційний потужності в степені 1/4. Розмір трансформатора можна зменшити, якщо збільшити частоту змінного струму. Тому сучасні імпульсні блоки живлення при однаковій потужності є значно легшими.

Трансформатори на 50-60 Гц, незважаючи на свої недоліки, продовжують використовувати в схемах живлення, в тих випадках, коли необхідно забезпечити мінімальний рівень високочастотних перешкод, наприклад при високоякісному звуковідтворенні.

Творча  майстерня .

• Виготовлення трансформатора https://samelectrik.ru/sobiraem-transformator-v-domashnix-usloviyax.html
• Виготовлення макету лінії електропередач.

Англійська мова

Перекладіть на англійську мову інструкцію.

4.1 Параметри трансформаторів (додаток А) повинні відповідати режимам роботи електричної мережі згідно з «Правилами устройства электроустановок». При цьому повинні бути враховані тривалі навантажувальні режими, короткочасні перевантаження і поштовхоподібні навантаження, а також можливі в експлуатації тривалі перевантаження. Ці вимоги стосуються усіх обмоток багатообмоткових трансформаторів.

" Під терміном «трансформаторна установка» розуміють трансформатор або реактор з усім допоміжним обладнанням і будівельними спорудами.

4.2 Трансформатори потрібно установлювати так, щоб були забезпечені зручні та безпечні умови для нагляду:

- за рівнем масла в масловказівниках,

- за значенням тиску на манометрах герметичних вводів і маслонасосів,

- за станом приводних механізмів пристроїв РПН без знімання напруги.

Для нагляду за рівнем масла в масловказівниках повинне бути передбачене освітлення масловказівників у темний час доби, якщо загального освітлення недостатньо.

Підсумок.

Залікова робота.

1. Які функції електричного трансформатора?
2. З яких основних частин складається трансформатор?
3. З яких речовин виготовляються осердя трансформаторів?
4. Які обмотки трансформаторів вважають первинними і які вторинними?
5. Що таке коефіцієнт трансформації?
6. Що таке холостий і робочий хід трансформатора?
7. Який коефіцієнт корисної дії мають сучасні трансформатори?
8. Як змінюються втрати напруги в лінії електропередачі в разі підвищення напруги в ній?
9. Як змінюються втрати потужності в лінії електропередачі в разі підвищення напруги в ній?
10. Що таке коефіцієнт корисної дії лінії електропередачі?
11. Для чого потрібні трансформатори?