Цель занятия: выяснить назначение и принцип действия трансформатора.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
| Контроль знаний | 1. Условия возникновения резонанса в электрической цепи. 2. Использование резонанса. |
| Демонстрации | Устройство и работа трансформатора. |
| Изучение нового материала | 1. Почему напряжение необходимо изменять. 2. Принцип действия трансформатора. 3. Холостой ход трансформатора. 4. Работа трансформатора под нагрузкой. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Почему напряжение необходимо изменять
Активное сопротивление провода определяется материалом, из которого он изготовлен, и его размерами: 
Для уменьшения сопротивления проводов надо или уменьшать удельное сопротивление материала, или увеличивать площадь поперечного сечения провода.
Увеличение площади поперечного сечения приводит к значительному увеличению массы проводов. Можно уменьшать удельное сопротивление, но это полностью не решает проблемы, поскольку передача значительной мощности P = UI при относительно незначительной напряжения требует достаточно высокой силы тока.
Если ту же мощность передавать значительного напряжения (соответственно, из-за малой силы тока), то потери энергии значительно уменьшаются. Поэтому прежде чем передавать энергию на большие расстояния, необходимо повышать напряжение. И наоборот: после того как энергия дошла до потребителя, напряжение необходимо снижать.
Такие изменения напряжения обеспечивают с помощью трансформаторов.
Ø Трансформатор — устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока.
Далее рассмотрим строение трансформатора.
2. Принцип действия трансформатора
Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле. Благодаря стальном сердечнике вторичную обмотку, намотанную на тот же сердечник, пронизывает практически такое же переменное магнитное поле, что и первичную.
Поскольку все витки пронизаны тем самым переменным магнитным потоком, вследствие явления электромагнитной индукции в каждом витке генерируется одна и та же напряжение. Поэтому отношение напряжений U1 и U2 на первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков в них:
Изменение напряжения трансформатором характеризует коэффициент трансформации.
Ø Коэффициент трансформации — величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:
Повышающий трансформатор — трансформатор, увеличивает напряжение (U2 > U1). У повышающего трансформатора число витков N2 во вторичной обмотке должно быть больше число витков N1 в первичной обмотке, т.е. k 1.
Понижающий трансформатор — трансформатор, уменьшающий напряжение (U2 U1). У понижающего трансформатора число витков во вторичной обмотке должно быть меньше числа витков в первичной обмотке, то есть k > 1.
3. Холостой ход трансформатора
Работа ненагруженного трансформатора называется холостым ходом.
Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного тока напряжением щ. При этом в обмотке возникает ЭДС самоиндукции e1. Падение напряжения на первичной обмотке равен: i1r1 = u1 + e1, где r1 — сопротивление обмотки, который мы будем считать очень маленьким. Поэтому в любой момент времени: u1 ≈ -e1, следовательно, для действующих значений можно записать: 
Для второй обмотки: u2 + е2 = 0 , u2 = -e2, 
Таким образом, в режиме холостого хода выполняется равенство:
4. Работа трансформатора под нагрузкой
Если к вторичной обмотке трансформатора присоединить нагрузку, то в ней возникнет электрический ток, что приводит к уменьшению магнитного потока в сердечнике и, как следствие, уменьшение ЭДС самоиндукции в первичной обмотке. В результате сила тока в первичной обмотке увеличится, и магнитный поток возрастет до первоначального значения. Чем больше сила тока во вторичной обмотке и мощность, которую она отдает потребителю, тем больше сила тока в первичной обмотке и мощность, потребляемая от источника. Поскольку потери энергии в трансформаторе малы, то U1I1 ≈ U2I2, отсюда U1/U2 = I2/I1.
Это означает, что в повышательном трансформаторе U1 U2 и I1 > I2, а в понижательном трансформаторе U1 > U2 и I2 > I1.
В трансформаторе, как и в любом техническом устройстве, существуют потери энергии.
Отношение мощности, которую трансформатор отдает потребителю электрической энергии, к мощности, которую трансформатор потребляет из электрической сети, называют КПД трансформатора:
Решение задач:
1. В первичной обмотке 200 витков, а во вторичной — 25 витков. Повышающая или понижающая напряжение у этого трансформатора? Во сколько раз?
2. Трансформатор повышает напряжение от 10 до 200 В. Сколько витков во вторичной обмотке трансформатора, если первичная обмотка содержит 600 витков?
3. Первичная обмотка трансформатора, содержащая 1500 витков провода, подключена к цепи переменного тока напряжением 220 В. Определите число витков во вторичной обмотке, если она должна питать круг напряжением 6,3 В и силой тока 1,5 А.
Сопротивление вторичной обмотки 0,2 Ом. Сопротивлением первичной обмотки пренебречь.
Контрольные вопросы:
1. Какой принцип положен в основу работа трансформатора?
2. Можно трансформировать постоянный ток?
3. Почему электрическую энергию на большие расстояния передают под высоким напряжением?
4. Почему прежде чем подавать потребителям электрическую напряжение, ее снижают?
1. Почему ненагруженный трансформатор потребляет очень мало энергии?
2. В какой из обмоток понижающего трансформатора (первичной или вторичной) диаметр провода должен быть больше? Ответ объясните.
3. Ток во вторичной обмотке трансформатора зависит от сопротивления подключенных приборов. Меняется ли в связи с этим ток в первичной обмотке и если да, то как это происходит?
4. Обмотки трансформатора сделаны из проводов разной толщины. Какая из обмоток содержит больше витков? Почему?
5. Что произойдет с катушкой трансформатора, если ее распрямить, не отключая от сети?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 32; Учебник-2: § 14 (п. 3).
2. Сборник задач.:
Уровень1 № 9.8; 9.10; 9.22; 9.23.
Уровень2 № 9.28; 9.29; 9.52; 9.53.
Уровень3 № 9.62, 9.63; 9.64; 9.67.
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
Консультации и решение задач по физике.
Лучшие эксперты в этом разделе
| Коцюрбенко Алексей Владимирович Статус: Модератор Рейтинг: 1718 |
Gluck Статус: 10-й класс Рейтинг: 457 |
Roman Chaplinsky / Химик CH Статус: Модератор Рейтинг: 410 |
| Перейти к консультации №: |
Уважаемые эксперты. Помогите в поиске ответов на вопросы о работе транформатора.
1. Изменится ли соотношение между напряжениями на клеммах первичной и вторичной катушек трансформатора, если железный сердечник заменить медным?
2. Ток во вторичной катушке трансформатора зависит от сопротивления подключенных приборов. Изменится ли в связи с этим ток в первичной катушке, и если изменится, то как это происходит.
3. Почему ненагруженный трансформатор использует очень мало энергии?
4. Обмотки трансформатора изготовлены из проводов разной толщины. Почему?
5. Изменяется ли мощность тока при преобразовании его в трансформаторе?
Спасибо.
Состояние: Консультация закрыта
Здравствуйте, Igor58!
1. Теоретически (т. е. пренебрегая сопротивлением катушек) — нет. Практически такая глупость (медный сердечник) никому в голову не придёт — уж лучше воздух, чем эта медь.
3. На это лучше ответить раньше, чем на 2. "Ненагруженный трансформатор" означает, что первичная катушка подключена к источнику напряжения, а ко вторичной ничего не подключено. Протекающий по виткам первичной катушки переменный ток создаёт в сердечнике переменное магнитное поле. При этом в каждом витке обеих катушек наводится (практически одинаковая) переменная ЭДС. Та, что в первичной, называется "ЭДС самоиндукции". В соответствии с т.н. "правилом Ленца" она "препятствует изменению магнитного поля", т.е направлена противоположно приложенному к первичной катушке внешнему напряжению. В определённый момент наступает равновесие: — разность между ЭДС самоиндукции и внешним напряжением, делённая на сопротивление первичной катушки, — это как раз величина тока, достаточная для создания магнитного поля. Число витков первичной катушки рассчитано так, что при допустимом значении магнитной индукции в "железном" (по ГОСТу — "сталь электротехническая") сердечнике (1,0 — 1,3 Тл) ЭДС самоиндукции практически равна внешнему напряжению; сечение провода катушки достаточно велико, чтобы её "омическое" сопротивление было небольшим. В итоге на "холостом ходу" потери в сопротивлении первичной катушки совершенно ничтожны — около 0,1% от "номинальной" мощности. Более существенны "потери в железе" от перемагничивания — около 1% (чем размеры трансформатора больше, тем процент меньше).
2. Когда ко вторичной катушке трансформатора подключаются какие-то приборы, в ней появляется ток. В соответствии с тем же "правилом Ленца" он "препятствует изменению магнитного поля", но теперь стремится это поле ослабить. Но при этом уменьшается ЭДС самоиндукции, наводимая тем же самым полем в первичной катушке, а значит разность между ЭДС самоиндукции и внешним напряжением увеличивается. От этого растёт ток в первичной катушке, пока снова не наступит равновесие — дополнительное число "ампервитков" первичной катушки станет таким же, как у вторичной.
4. В принципе можно и из проводов одной толщины — работать будет, но плохо, с лишними потерями. Если обмотку низшего напряжения сделать из тонкого провода — либо будет перегреваться, либо придётся ограничить отдаваемую мощность; в любом случае КПД ухудшается. Если обмотку высшего напряжения сделать из толстого провода — либо она не поместится в "окне" сердечника (потому что витков потребуется всё равно столько же, независимо от толщины), либо придётся бесполезно увеличить размер сердечника — опять ухудшение. Анализ и практика показывают, что наилучший результат будет, если плотность тока в проводах обеих катушек одинакова. Отсюда вытекает: а) сечение проводов д.б. обратно пропорционально числу витков, чем меньше витков, тем толще провод; б) расход материала (меди, алюминия) на каждую катушку одинаков.
5. Потребляемая первичной стороной мощность несколько больше, чем отдаваемая на вторичной — за счёт неизбежных потерь. Однако хорошо рассчитанные трансформаторы (особенно крупные) имеют очень высокий КПД — до 0,98, поэтому практически можно считать, что мощность не изменяется.
 |
Консультировал: SFResid (Мастер-Эксперт) Дата отправки: 26.11.2007, 13:13 |
0 
Отправлять сообщения
модераторам могут
только участники портала.
ВОЙТИ НА ПОРТАЛ »
регистрация »
Низкое напряжение в сети – это проблема, характерная для домохозяйств в частном секторе. 160-180 вольт – такого напряжения недостаточно для работы большинства бытовых электроприборов и светильников. Даже простейшая лампа накаливания при чрезмерно низком напряжении уже не светит, а просто «обозначает» свою нить накаливания нежно-малиновым цветом.
Прежде всего, следует помнить, что поставщик электроэнергии обязан обеспечить качество этой электроэнергии на вводе, то есть, на границе ответственности между абонентом и поставщиком. По факту наиболее часто граница ответственности располагается в точке подключения ответвления ВЛ к частному дому.
Поэтому принципиальное значение имеет вопрос: в пределах чьей зоны ответственности имеется проблема? Если на самой ВЛ напряжение такое же низкое, то отвечает за это энергоснабжающая организация (правление садоводства, «Энергосбыт» и т. д.) Но если там напряжение в порядке, то проблемным участком является ввод, а это уже находится на совести потребителя.
Произвести измерения на опоре ВЛ в точке подключения ответвления практически совсем не просто, да и небезопасно. Производить такие работы могут только квалифицированные сотрудники организации-поставщика электроэнергии.
Например, если проблемы с напряжением имеются только у вас, а соседи, подключенные к вашей же фазе, никаких неудобств не испытывают, то это достаточно ясно указывает на то, что техническая проблема находится именно на вашем ответвлении.
Еще одним характерным признаком проблем именно на вашем вводе может быть отсутствие просадки до включения каких либо электроприборов в именно в вашем доме. То есть, если выключен вводной аппарат – напряжение на вводе полноценное, а если работают одновременно плита, чайник и пылесос, то работать они уже практически не могут, так как просадка очевидна и заметна даже без использования специальных приборов.
Просадка напряжения в пределах границы ответственности домовладельца
Если просадка напряжения происходит именно на вашем ответвлении, то вероятны такие варианты:
1. Сечение вводного проводника недостаточно при имеющейся длине. На слишком тонких проводниках происходит падение напряжения, которое в случае предельной нагрузки может быть весьма значительным.
2. В цепи ответвления имеется плохой контакт, который играет роль дополнительного сопротивления. На этом сопротивлении в соответствии с законом Ома происходит падение напряжения. Этих-то вольтов, «пропадающих» на плохом контакте, может и не хватать.
Потерянные вольты становятся причиной выделения тепла. В первом варианте это не так уж и критично, поскольку вводной проводник греется по всей длине равномерно. А вот при наличии второго варианта плохой контакт будет греться. И весьма интенсивно, вплоть до того, что место нагрева будет видно невооруженным глазом. Нагрев будет способствовать дальнейшему ухудшению контакта, а итогом станет либо полная неработоспособность ввода, либо, в худшем случае, пожар.
Если вы выяснили, что падение напряжения в доме вызвано проблемами в вашем ответвлении ЛЭП, то следует предпринять следующие действия:
1. Критически оценить состояние контактов. Это, в первую очередь, касается места соединения магистральной ЛЭП и вашего ответвления. Как выполнено это соединение? Если при помощи обыкновенной скрутки, то весьма вероятно, что здесь и кроется проблема: переходное сопротивление такого контакта, расположенного под открытым небом, растет неуклонно, а от возгорания спасают только практически идеальные условия охлаждения. Особенно все это актуально в том случае, если скруткой соединяются алюминиевый магистральный и медный ответвительный проводники. К сожалению, такое тоже бывает.
Если же ответвление выполнено при помощи сертифицированных зажимов, то необходимо обратить внимание на состояние корпусов этих зажимов. Оплавление и другие повреждения корпуса зажима могут свидетельствовать о проблемах с электрическим контактом. Убедиться в наличии этих проблем можно, включив в сети предельную нагрузку (как можно больше электроприемников) и произведя нехитрые наблюдения. Если внутри зажима происходит искрение, испускается дым и явно повышается температура, то зажим одназначно является причиной просадки напряжения и подлежит замене.
2. Еще одним местом проблемного контакта могут стать верхние зажимы вводного коммутационного аппарата (чаще всего автомата). В этом случае искрение может исходить прямо из вводного щита, а корпус автоматического выключателя будет иметь признаки оплавления. Тогда вводной аппарат необходимо заменить.
Просадка напряжения в пределах границы ответственности энергосбытовой компании
На первый взгляд, кажется, что этот случай простейший: скооперировались с соседями, написали жалобу – и пожалуйста. Поставщик обязан обеспечить качество поставляемой электроэнергии по закону.
Однако по факту все гораздо сложнее. Пониженное напряжение в сети ЛЭП может быть связано с такими обстоятельствами:
1. перегрузка трансформатора подстанции,
2. недостаточность сечения проводников ЛЭП,
3. «перекос», то есть неравномерная загрузка фаз трансформатора.
Первые две причины нетрудно диагностировать, да непросто устранить: требуется либо замена трансформатора, либо реконструкция ЛЭП. К тому же нагрузка в сети не отличается стабильностью, а значит, и с третьей причиной тоже не все однозначно. Здесь следует отметить, что сегодня на большинстве подстанций исправно работает релейная защита. А это значит, что просадка напряжения из-за банальной перегрузки характерна лишь для некоторых садоводств и глухих поселений.
Обоснование того, что мощность трансформатора недостаточна, или что нагрузка по фазам распределена неравномерно, будет практически невозможно найти. Сейчас имеется перегрузка или перекос, а через полчаса его уже может не быть. Соответственно, и просадка напряжения тоже носит нестабильный характер, а потребители остаются один на один со своей проблемой.
Писать «бумагу» в адрес энергосбытовцев в подобной ситуации, конечно, надо. Но предпринимать какие-то шаги самостоятельно все равно придется. Как вариант – в подобном случае можно добиться разрешения от сбытовой компании и завести в дом все три фазы. Далее можно установить на вводе автоматический переключатель фаз и всегда пользоваться только наименее загруженной в текущий момент фазой, напряжение в которой будет близко к 220 вольт.
При отсутствии такого разрешения от Энергосбыта можно производить периодическую «смену фазы» при участии электриков эксплуатирующей организации, которые обеспечат необходимое отключение на подстанции. Но надо отметить, что такие действия едва ли радикально решат вопрос.
Недостаточность сечения проводников ЛЭП относительно часто становится причиной просадки напряжения, причем не только в садовоствах, но и в частном секторе в черте города. Дело в том, что пару десятков лет назад эти линии выполнялись самыми дешевыми проводами. Наиболее распространенными были сталеалюминиевые провода АС сечением 16 кв. мм. Сталь обеспечивает этому проводу повышенные несущие способности, но существенно снижает проводимость. И это при том, что сечение 16 кв. мм. итак не особенно велико, а сам алюминий не отличается высокой проводимостью.
На том историческом этапе, когда даже электрическая плита имелась не в каждом частном доме, а других мощных электроприемников дома вообще не держали, ЛЭП из проводов АС-16 было вполне достаточно. А сегодня на месте прежних маленьких домиков возводятся целые дворцы. Причем все чаще отдается предпочтение электрическому бойлерному отоплению. Разумеется, потребление электроэнергии возрастает в разы. И даже если трансформатор на подстанции справляется, или его заменили, то на тонких проводах при больших токах происходит значительное падение напряжения.
Характерным признаком недостаточности сечения проводов ЛЭП или мощности трансформатора подстанции является нормальное напряжение ночью и неизменная просадка в вечернее время. Но стоит заметить, что эти две проблемы зачастую «ходят рука об руку».
Где слабые провода ЛЭП – там и маломощный трансформатор. А устранить проблемы мешает необходимость больших капиталовложений. Один трансформатор стоит около миллиона рублей, в зависимости от его мощности. Вдобавок реконструкция ЛЭП с использованием СИП тоже «встанет в копеечку».
Вот по этим причинам энергосбытовые компании, администрации садоводств и поселков могут хранить молчание годами даже при наличии явных проблем.
Известны такие способы частного решения проблемы низкого напряжения в сети:
1. Установка на свой ввод стабилизатора напряжения. Если честно, эта мера в случае просадки до 160-180 вольт сомнительна. Во-первых, стабилизатор такой глубокой стабилизации и подходящей для домовладения мощности будет стоить очень дорого. А во-вторых – десяток таких стабилизаторов в сети ЛЭП – и сеть буквально падает на колени, откуда ее уже не поднять никаким стабилизатором.
2. Установка повышающих трансформаторов напряжения на вводе. Это тоже совсем не подходит. Положим, поставили мы трансформатор, подобрав коэффициент трансформации со 160 до 220 вольт. А утром напряжение в сети пришло в норму, и вместо 220 в розетках стало 300 вольт. Сгорают все приборы и лампочки. Ведь проблема с просадкой напряжения состоит и в том, что просадка эта почти никогда не бывает стабильной.
3. Установка дополнительного заземляющего устройства на вводе. Разумеется, на нулевой рабочий проводник. Смысл здесь в том, что линия ЛЭП – это прямой проводник (фаза) и обратный (ноль). Сечение может быть недостаточным у обоих, но, заземлив нулевой проводник, можно уменьшить сопротивление рабочего нуля и в целом сопротивление линии тоже понизится. Однако такая мера тоже чревата. Прежде всего, тем, что во время ремонта на любой точке линии электрики могут попутать местами ноль и фазу.
В подобном случае заземленная фаза станет причиной короткого замыкания. Другой вариант – обрыв рабочего нуля на ЛЭП. Тогда все рабочие токи пойдут через ваше заземляющее устройство, что может привести к труднопредсказуемым результатам. В лучшем случае заземляющее устройство просто выйдет из строя.
По итогу придется признать, что не существует самостоятельного радикального решения проблемы просадки напряжения из-за слабого трансформатора подстанции или слишком тонких проводов ЛЭП. Один в поле – не воин. Необходимо объединяться с соседями, составлять обращение в адрес энергосбытовой организации и быть готовым к тому, что часть расходов придется брать на себя. Иначе дело может затянуться до бесконечности.
