«Трансформатори. Призначення трансформаторів та їх класифікація»

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

БЕРДЯНСЬКИЙ ЕКОНОМІКО-ГУМАНІТАРНИЙ КОЛЕДЖ

БЕРДЯНСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ПЕДАГОГІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Методичні рекомендації

до проведення уроку

на тему:

«Трансформатори.

Призначення трансформаторів та їх класифікація»

Розробив викладач

Селезньова Олена Петрівна

    кваліфікаційна категорія

    «спеціаліст вищої категорії»

Бердянськ-2018

Дисципліна  «Електротехніка».

Розділ: «Трансформатори»

Тема: «Трансформатори. Призначення трансформаторів та їх класифікація»

Мета уроку:

Навчальна: ознайомити студентів з призначенням, будовою, класифікацією трансформаторів та історією їх розвитку;

Розвивальна: формувати у студентів мислення, розвиток пізнавальної активності, уваги, пам’яті, вміння аналізувати;

Виховна: виховувати самостійність, уважність, акуратність, відповідальність, вміння працювати в команді, поважати думку інших,уважно слухати співрозмовника; виховувати дбайливе ставлення до дисципліни.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

Методи проведення уроку:лекція з елементами бесіди, пояснювально-ілюстративний, демонстративно-ілюстративний.

Обладнання: персональний комп'ютер, проектор, екран, презентація.

Література: Гуржій А.М. та ін. Електротехніка з основами промислової електроніки: Підруч:  для учнів проф. – техн. навч. закладів/А.М.Гуржій, А.М.Сільвестров, Н.І.Поворознюк. – К.: Форум, 2002. – 382с.: іл.. 

План

1. Організаційний момент.

Привітання студентів, черговий звітує про відсутніх на уроці; викладач перевіряє готовність аудиторії та технічних засобів до уроку, психологічний настрій.

2. Повідомлення теми, мети та плану заняття.

 Електротехніка цікава та загадкова наука,  тому пропоную розпочати захоплюючої загадки. Необхідно розшифрувати назву теми, використовуючи алфавіт, замінюючи цифри відповідними літерами.

 Слайд 1,2,3. Назва теми:

Робота над рішенням захоплюючої ситуації. Ви вірно визначили назву теми «Трансформатори. Призначення трансформаторів та їх класифікація». Сьогодні ми ознайомимося з призначенням, будовою, класифікацією трансформаторів та історією їх розвитку.

Слайд 4. План уроку:

1. Історія створення трансформаторів.
2. Класифікація та призначення трансформаторів.
3. Будова трансформатора та їх види.

Будь-якому відкриттю сприяє досвід, талант і, навіть, випадок. Якщо людина своєю працею, розумом, впертістю досягає істини, то це і є відкриття. На сьогоднішньому уроці ми також зробимо невелике відкриття.

Вже друге століття людство використовує змінний електричний струм в промислових масштабах. В країнах Європи найбільш розповсюдженим є електричний струм, що змінює свій напрям 100 - 120 разів за секунду. Яка ж частота змінного струму в нашій країні? Ми користуємося змінним струмом, промислова частота якого дорівнює 50 Гц.

Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно зростає). Перетворення змінного струму, при якому напруга збільшується або зменшується в декілька разів і, практично, без втрат потужності (при незмінній частоті струму), здійснюється за допомогою трансфоматора.

Сьогодні ми з Вами розширимо знання про призначення, будову та принцип дії трансформатора.

Трішки історії. (повідомлення про історію винайдення трансформатора. При розповіді використовуються слайди з біографією вчених, винахідників трансформаторів).

Слайд 5,6,7. 

        Майкл Фарадей                      Румкорф Генріх Даніель

У 1831 році англійським фізиком Майклом Фарадеєм було відкрито явище електромагнітної індукції, яке стало основою роботи трансформатора. У цьому ж році з'явилося його схематичне зображення. Хоча Фарадей в своєму досвіді і використовував подібність сучасного трансформатора, але основна властивість трансформатора - трансформація струмів і напруг, була відкрита пізніше.

У 1848 році французьким механіком Г.Румкорфом була винайдена індукційна котушка (індукція) - прообраз трансформатора.

     Датою початку першого трансформатора вважається 30 листопада 1876 року, коли винахідник П.Н. Яблочков отримав патент на трансформатор з відкритим сердечником. Це був стержень з намотаними на нього обмотками.

Слайд 8. 

У 1884 році в Англії братами Джоном і Едвардом Гопкінсонами був створений перший трансформатор із замкненим осердям.

Гопкінсон Джон                               Гопкінсон Едвард

Слайд 9.  В кінці 1880-х інженером Д. Свинберним було винайдено масляне охолодження трансформатора - це підвищило надійність і довговічність його обмоток.

             Д. Свинберн                          М.О.Доливо-Добровольський

В 1889 році електротехнік М.О.Доливо-Добровольський разом із запропонованою ним трифазною системою змінного струму створив перший трифазний трансформатор.

Подальший розвиток трансформаторів зводився до вдосконалення матеріалу осердя, що дозволило знизити втрати і значно підвищити ефективність трансформаторів.

Розглянемо, що таке трансформатор?

Слайд 10. Трансформатором називається статичний (без рухомих частин) електромагнітний пристрій, призначений для перетворення електричної енергії однієї змінної напруги в електричну енергію іншої змінної напруги.

Трансформатор складається з первинної 1 та вторинної 2 обмоток і магнітопроводу 3.

Первинна обмотка  - це обмотка, ввімкнена до джерела електричної енергії ( здебільшого до електричної мережі). До вторинної обмотки вмикають споживач електричної енергії.

Слайд 11.

Трансформатори класифікуються за такими основними ознаками:

1. Залежно від мережі живлення: однофазні, багатофазні (в тому числі трифазні); імпульсні.
2. За співвідношенням напруги: підвищувальні, знижувальні.
3. За кількістю вторинних обмоток: однообмоткові та багатообмоткові.
4. За призначенням: силові, зварювальні, вимірювальні та інші.
5. За способом охолодження: трансформатори з масляним охолодженням (масляні), з природним повітряним охолодженням (сухі та з литою ізоляцією);
6. За родом установки: для внутрішньої установки, для зовнішньої установки і для комплектних розподільних пристроїв (КРП);
7. За призначенням: знижують і підвищують.

1. Системи електропостачання. У системах електропостачання електрична енергія виробляється на великих електростанціях: атомних (АЕС), теплових (ТЕС), гідроелектростанціях (ГЕС). Вироблену електричну енергію необхідно передати на значну відстань і розподілити на великій території, яка в деяких випадках охоплює території декількох країн. Для зменшення втрат електричної енергії за допомогою силового підвищувального трансформатора напругу з виходу генератора підвищують, передають електричну енергію за допомогою ліній електропередач (ЛЕП) на значну відстань. Розподіляють електричну енергію на знижувальних трансформаторних підстанціях різних рівнів, каскадно знижуючи напруги, і підводять напругу за допомогою електричної мережі до кожного споживача.
2. Промислова та побутова електроніка, де трансформатори застосовуються у вторинних джерелах електроенергії, для гальванічного розділення електричних кіл, для узгодження опорів пристроїв, для передачі та перетворення імпульсів.
3. Вимірювання струмів і напруг у потужних енергосистемах за допомогою спеціальних вимірювальних трансформаторів.

Магнітопровід призначений для магнітного зв’язку первинної та вторинної обмоток. Магнітопровід трансформатора виготовляють з тонких (0,35…0,5мм) листів електротехнічної сталі для зменшення втрат, зумовлених вихровими струмами.

Магнітопроводи трансформаторів малої потужності, призначених для роботи  і  діапазоні  високих  частот,  пресують  із  порошкових  матеріалів    (магнітодіелектриків та феритів). 

Обмотки нижчої напруги (НН) розміщують ближче до магнітопроводу, а обмотки вищої напруги (ВВ) розміщують зверху. Між обмотками знаходиться ізоляційний циліндр.

Якщо первинна напруга U₁ трансформатора менше вторинного U₂, то трансформатор називається що підвищує. Якщо первинна напруга U₁ трансформатора більше вторинного U₂, то трансформатор називається знижуючим. За значенням напруги розрізняють обмотку вищої напруги (ВН) і обмотку нижчої напруги (НН).

Слайд 12. В залежності від числа фаз трансформатори бувають однофазні та багатофазні (в основному, трифазні). Кількість фаз первинної обмотки визначається числом фаз джерела живлення, а число фаз вторинної обмотки - призначенням трансформатора.

В трьохфазному трансформаторі первинною або вторинною обмоткою називають відповідно сукупності трифазних обмоток однієї напруги. 

Слайд 13. Графічне зображення однофазного та трифазного трансформатора.

На щитку трансформатора вказані номінальні значення повної потужності, напруг - вищого і нижчого, струмів, частоти, а також число фаз та схема їх з'єднання. Для трансформаторів великої потужності можуть бути вказані додаткові характеристики режиму роботи (тривалий або короткочасний), спосіб охолодження та ін. Номінальними називаються величини, при яких пристрій може працювати невизначений час без неприпустимих наслідків: перегрів, пробій ізоляції і т. п. з економічно ефективним ККД,               

Слайд 14.

Трансформатори потужністю до 1000 В*А використовуються в пристроях промислової електроніки для живлення електрично ізольованих частин кола. Трансформатори потужністю більше 10 кВ*А називаються силовими. Вони застосовуються в електроенергетиці для економічної передачі електричної енергії від трифазних генераторів з лінійним напругою 6,3 - 38,5 кВ по лінії електропередач із лінійним напругою до 750 кВ і розподілу між приймачами з лінійним напругою від 11 кВ і нижче. Чим вище напруга ліній передачі, тим менше струм і його дротах при тій ж самій потужності, отже втрати енергії.

Силовий трансформатор - це електричний апарат, який призначений для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги для живлення електроенергією споживачів. Він найважливіший і обов'язковий елемент будь-якої електричної мережі, тому будь-яке використання електроенергії в побуті та на виробництві припускають її перетворення, що неможливо без силового трансформатора. Силові трансформатори мають, крім того, систему охолодження.

Існує кілька критеріїв, за якими проводиться класифікація силових трансформаторів. Найбільш поширений варіант - поділ на умовні категорії в залежності від потужності і напруги.

Слайд 15.

Розрізняють такі типи силових трансформаторів:

1-а група (вироби з потужністю до 100 кВА);

2-а група (діапазон потужності від 160 до 630 кВА);

3-тя група (від 1000 до 6300 кВА);

4-а група (показник потужності вище 10000 кВА);

5-а група (всі трансформатори з потужністю вище 40000 кВА);

6-а група (потужність від 100000 кВА).

Слайд 16.

Розглянемо масляний трансформатор напруги та сухий трансформатор. Масляний трансформатор напруги - це стаціонарний прилад, який включає в себе дві і більше обмоток. Основним завданням цих пристроїв є перетворення струму. В даному випадку параметр граничної частоти в ланцюзі залишається незмінним. Відбувається зазначений процес за допомогою електромагнітної індукції.

Також важливо відзначити, що трансформатори є вторинними джерелами електроживлення. Все це говорить про те, що вони забезпечують подачу електроенергії від мережі. Відмінність між трансформаторами полягає в їх потужності. Однак моделі також мають свої конструктивні особливості. Для того щоб більш детально розібратися в цьому питанні, слід розглянути пристрій звичайного трансформатора.

Якщо розглядати серії ТМ масляний трансформатор, пристрій його досить простий. Він містить три висновки, а вони розташовуються у верхній панелі. В даному випадку вступні контакти передбачені низьковольтного типу. В нижній частині конструкції є система заземлення для безпечного використання трансформатора. Під висновками розташовується складний механізм перепускних клапанів.

Зливний патрубок знаходиться в нижній частині трансформатора. Для зручності транспортування пристрою є спеціальна панель, на якій можна знайти отвори. Біля перемикача в приладі встановлено ролик. Поряд з вхідними контактами розташовується велика реле. Для того, щоб стежити за роботою трансформатора, на його корпусі вбудований термометр. Також там користувач здатний знайти покажчик рівня масла. У деяких конфігураціях трансформаторів серії ТМ передбачений осушувач.

Слайд 17.  Сухий трансформатор – це вид перетворювачів, в яких магнітна система та дві чи більше обмоток не занурюються в масляний розчин, а остуджуються за рахунок руху повітряних потоків.  У сухих трансформаторах основним ізолюючим середовищем є твердий діелектрик, а охолоджуючим - атмосферне повітря. Викорис-тання сухих трансформаторів економічно вигідно. З огляду на їхню високу пожежну безпеку трансформаторні пункти можна розміщувати максимально близько до споживачів електроенергії. При цьому значно знижуються втрати при передачі електроенергії в мережах низької напруги.

Також з’являється унікальна можливість встановлення трансформаторів в районах з джерелами водопостачання і підвищеними екологічними вимогами. Крім того, немає необхідності в підніманні для прийому масла і протипожежних засобах. Це дозволяє розміщувати трансформатори на різних поверхах будівлі.

Сухі трансформатори не вимагають трудомісткого технічного обслуговування: відпадає необхідність в таких роботах з технічного обслуговування, як герметизація, відновлення захисту баків від корозії, очищення масла.

Трансформатори з ізоляцією епоксидною смолою вимагають тільки повітря для охолодження. Немає необхідності контролювати рівень масла і очищати його. Сухі трансформатори справляються з короткочасними піками навантаження, наприклад, при пуску двигунів.

Слайд 18. Вимірювальний трансформатор - трансформатор, призначений для пересилання інформаційного сигналу вимірювальним приладам, лічильникам, пристроям захисту і (або) керування. Вимірювальні трансформатори застосовуються в ланцюгах змінного струму для розширення меж вимірювання приладів.

Вимірювальні трансформатори поділяються на:

•                  трансформатори струму ;
•                  трансформатори напруги.

Слайд 19.  Трансформатор струму - вимірювальний трансформатор, в якому за нормальних умов роботи вторинний струм практично пропорційний первинному і зсув фаз між ними близький до нуля.

Вимірювальний трансформатор струму - трансформатор, який призначений для перетворення струму до значення, зручного для виміру. Первинна обмотка трансформатора струму вмикається послідовно у коло зі змінним струмом, що вимірюється. А у вторинну вмикаються вимірювальні прилади. Струм, що протікає по вторинній обмотці трансформатора струму, пропорційний струму, що протікає у його первинній обмотці.

Трансформатори струму широко використовуються для вимірювання електричного струму й у пристроях релейного захисту електроенергетичних систем, у зв'язку з чим на них накладаються високі вимоги по точності. Трансформатори струму забезпечують безпеку вимірювань, ізолюючи вимірювальні схеми від первинного кола з високою напругою, які найчастіше складає сотні кіловольт.

Слайд 20. Трансформатор напруги - вимірювальний трансформатор, у якому за нормальних умов використання вторинна напруга пропорційна первинній напрузі та за умови правильного вмикання зміщена відносно неї за фазою на кут, близький до нуля.

Трансформатор напруги використовується для перетворення високої напруги в низьку в колах релейного захисту та контрольно-вимірювальних приладів і автоматики. Застосування трансформатора напруги дозволяє ізолювати логічні кола захисту і кола вимірювання від кіл високої напруги.

Трансформатори напруги для мереж високих напруг - це апарати зовнішнього встановлення, які уявляють собою герметичний, заповнений трансформаторним маслом або елегазом металевий бак на металевій основі, яка з'єднана з системою уземлення. Всередині баку змонтоване осердя трансформатора з первинною та вторинними обмотками. Ці трансформатори зазвичай мають один первинний термінал, який знаходиться на верхній частині прохідного ізолятора, прикріпленого до верхньої частини баку. Термінали вторинних обмоток розташовані в окремому боксі закріпленому на основі трансформатора.

Трансформатори, побудовані за такою схемою, застосовуються у мережах з номінальною напругою до 230 кВ. При вищих номінальних напругах застосовуються каскадні та ємнісні трансформатори напруги.

Вимірювальні трансформатори струму і напруги використовують для включення вимірювальних приладів, апаратури автоматичного регулювання та захисту в високовольтні ланцюги. Вони дозволяють зменшити розмітити і масу вимірювальних пристроїв, підвищити безпеку обслуговуючого персоналу, розширити межі вимірювання приладів змінного струму.

Слайд 21. Автотрансформатор складається із замкненого магнітопроводу, на якому розмішена первина обмотка. Вихідна напруга знімається тільки з частини витків обмотки, тобто вторинна обмотка – це частина первинної обмотки. Автотрансформатор - варіант трансформатора, в якому первинна і вторинна обмотки сполучені безпосередньо, і мають за рахунок цього не тільки магнітну зв'язок, але і електричний. Обмотка автотрансформатора має кілька виходів (як мінімум 3), підключаючись до яких, можна отримувати різні електричні напруги.

Автотрансформатори застосовуються для пуску потужних двигунів змінного струму, регулювання напруги в освітлювальних мережах, а також в інших випадках, коли необхідно регулювати напругу в невеликих межах.

Трансформатори поділяються залежно від числа обмоток на одно-, дво- і багатообмоткові. Трансформатор називається багатообмотковим, якщо він має одне осердя, а кількість обмоток більше двох (на одну фазу). Такого типу трансформатори застосовуються в енергетичних установках, в побутових електроприладах, апаратурі радіо і автоматики.

До однообмоткових трансформаторів відносяться автотрансформатори.

Двохобмоткові трансформатори мають одну первинну і одну вторинну обмотки. Багатообмоткові трансформатори мають одну первинну обмотку і кілька вторинних обмоток.

Слайд 22. Зварювальний трансформатор - трансформатор, який перетворює змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги тієї ж частоти і служить для живлення зварювальної дуги.

Зварювальний трансформатор з регулюванням напруги за допомогою зміни величини зазору між котушками. Зварювальний трансформатор перетворює напругу мережі (220 або 380В) в низьку напругу, а струм з низького - в високий, до тисяч ампер.

Слайд 23. Трансформатор являє собою замкнений магнітопровід (осердя), на якому розташовані дві або кілька обмоток.

Магнітопровід виготовляють з феромагнітного матеріалу, а обмотки мотають мідним ізольованим проводом і розміщують на магнітопроводі.

Одна обмотка підключається до джерела змінного струму і називається первинною (I), з іншої обмотки знімається напруга для живлення навантаження та обмотка називається вторинною (II).

Магнітопровід трансформатора являє собою закрите осердя зібране з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 або 0,35мм. Перед складанням листи по обидва боки ізолюють лаком.

За типом конструкції розрізняють стрижневий (Г-подібний) і броньовий (Ш-подібний) магнітопроводи. Розглянемо їх структуру.

Слайд 24. Стрижневий трансформатор складається з двох стрижнів (1), на яких знаходяться обмотки (2) і ярма (3), яке з'єднує стрижні, власне, тому він і отримав свою назву. Трансформатори цього типу застосовуються значно частіше, ніж броньові трансформатори.

Слайд 25. Броньовий трансформатор являє собою ярмо (2) всередині якого полягає стрижень (1) з обмоткою (3). Ярмо захищає стрижень, тому трансформатор називається броньовим.

Конструкція обмоток, їх ізоляція та способи кріплення на стрижнях залежать від потужності трансформатора. Для їх виготовлення застосовують мідні дроти круглого і прямокутного перерізу, ізольовані бавовняною пряжею або кабельним папером. Обмотки повинні бути міцними, еластичними, мати малі втрати енергії і бути простими і недорогими у виготовленні.

Слайд 26. Коефіцієнт трансформації дорівнює відношенню кількості витків первинної обмотки до кількості витків вторинної обмотки: .

Добираючи необхідну кількість витків, можна за допомогою трансформатора живити споживачі з різною номінальною напругою.

У вторинній обмотці, замкненій на споживача електричної енергії, під дією електрорушійної сили проходить змінний струм, амплітуда якого визначається опором споживача, увімкненого до вторинної обмотки. Вторинна обмотка відносно споживача є генератором  електричної енергії.

ІІІ. Закріплення нового матеріалу.

Студентам надається питання, на які необхідно відповісти (надати вірну відповідь).

1. Хто винайшов перший трансформатор (відповідь: П. Н. Яблочков).
2. Рік створення першого трансформатора (відповідь: 1876 рік).
3. Осердя трансформатора Яблочкова (відповідь: незамкнене).
4. В якому році з'явилися трансформатори із замкненим осердям (відповідь: в 1884 році).
5. Рік розробки першого трифазного трансформатора (відповідь: 1891 рік).
6. Трансформатор  уявляє собою ………… (відповідь: статичний (без рухомих частин) електромагнітний пристрій, призначений для перетворення електричної енергії однієї змінної напруги в електричну енергію іншої змінної напруги)
7. Обмотка, до якої відводиться напруга мережі живлення називають ...... (первинною).
8. Обмотки трансформатора виготовляють з ...... .. (міді)
9. Обмотка, до якої приєднується навантаження називається ......... (вторинною)
10. Магнитопровід збирають з ............. (листів електротехнічної сталі)

IV. Підведення підсумків.

V.Домашнє завдання

1. Гуржій А.М. та ін. Електротехніка з основами промислової електроніки: Підруч:  для учнів проф. – техн. навч. закладів/А.М.Гуржій, А.М.Сільвестров, Н.І.Поворознюк. – К.: Форум, 2002. – 382с.: іл.. 
2. Опрацювання конспекту.
3. Створення кросворду з теми «Трансформатори»