Предназначение и принцип действия трансформаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1.Трансформатор: основные понятия, история развития и их классификация

1.1 Основные понятия и история развития трансформаторов

1.2 Классификация трансформаторов

2.Предназначение и принцип действия трансформаторов

3.Области применения трансформаторов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время значительное развитие получило электромашиностроение как одна из ведущих отраслей электропромышленности. Основными направлениями развития народного хозяйства предусмотрено быстрыми темпами развивать производство трансформаторов как малой, так и большой мощности.

Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Иными словами трансформатор - это устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Трансформатор состоит из двух или более обмоток , которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки - вторичными.

Изобретателем первого трансформатора является русский ученый Яблоков Павел Николаевич в 1876 году. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки. В дальнейшем несколько конструкций однофазных трансформаторов с замкнутым магнитопроводом были созданы венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперноеским. В 1889году Доливо-Добровольский построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор.

Существует большое количество трансформаторов, которые классифицируются по различным принципам и видам.

Трансформаторы широко применяют для преобразования напряжения в системах передачи и распределения электрической энергии, в быту, в выпрямительных установках, в электросетях , устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях и функциональных преобразованиях.

Целью данной работы является изучение основ трансформатора.

В соответствии с поставленной целью, в работе решаются следующие задачи:

-даются общие сведения трансформаторам: понятие, история возникновения и классификация трансформаторов;

-изучается принцип работы трансформатора;

-рассматривается области применения трансформаторов.

1. Трансформатор: основные понятия, история развития и их классификация

1.1 Основные понятия и история развития трансформаторов

Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Иными словами трансформатор - это устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает).

Трансформатор состоит из двух или более обмоток , которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки - вторичными. Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.

В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть. Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора, то есть магнитопровод, обмотки, и система охлаждения.

Изобретателем трансформатора является русский ученый П.Н.Яблочков(рис.1.1). В 1876 году Яблочков Павел Николаевич использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником, подобные применяемым в настоящее время, появились значительно позже, в 1884г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого времени не применялся.

(Рис.1.1)

В дальнейшем несколько конструкций однофазных трансформаторов с замкнутым магнитопроводом были созданы венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперноеским. Для развития строения трансформаторов и вообще электромашиностроения большое значение имели работы профессора А. Г. Столетова по исследованию магнитных свойств стали и расчету магнитных цепей.

Важная роль в развитии электротехники принадлежит выдающему русскому электротехнику М. О. Доливо-Добровольскому. В 1889году Доливо-Добровольский предложил трехфазную систему переменного тока. Он построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трехфазного тока протяженностью 175 км; трехфазный генератор имел мощность 230 КВт при напряжении 95 В.. С тех пор происходило дальнейшее конструктивное усовершенствование трансформаторов, уменьшалась их масса и габариты, повышалась экономичность. Основные положения теории трансформаторов были разработаны в трудах Е. Арнольда и М. Видмара. А также в развитии теории трансформаторов и совершенствовании их конструкции большое значение имели работы советских ученых В. В. Корицкого, Л. М. Пиотровского, Г. Н. Петрова, А. В. Сапожникова, А. В. Трамбицкого и др.

Таким образом, анализируя вышеизложенное, можно сказать, что трансформатор -- это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. В данной главе в основном рассматривается теория возникновения трансформаторов и их основные понятия, а виды трансформаторов рассмотрим во втором параграфе первой главы.

1.2 Классификация трансформаторов

Существует большое количество трансформаторов, которые классифицируются по различным принципам. Их можно классифицировать по признаку функционального назначения:

-трансформаторы питания

-трансформаторы согласования

Рассмотрим трансформаторы питания, их можно классифицировать:

1. По напряжению:

-низковольтные

-высоковольтные

-высокопотенциальные

2. В зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения

-однофазные

-трёхфазные

Однофазный трансформатор предназначен для создания переменного напряжения нужной величины для нагрузки, не нуждающейся в трехфазном электропитании.

Простейший однофазный трансформатор состоит из рамообразной магнитной системы 3, включающей два стержня , верхнее 4 и нижнее 5 ярма, обмоток высшего 1 и низшего 2 напряжения. (рис.1.2).

(Рис.1.2)

Трехфазные трансформаторы объединяет три источника переменного тока, ЭДС которых сдвинуты друг относительно друга на 120°.Трансформирование трехфазного тока можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу. Обмотки первичной и вторичной цепей соединяются одним из способов: "звезда", "треугольник", "зигзаг“

3. В зависимости от числа обмоток

-двухобмоточные

-многообмоточные

4. В зависимости от мощности

-малой мощности

-средней мощности

-большой мощности

5. В зависимости от коэффициента трансформации:

-повышающие

-понижающие

6. В зависимости от рабочей частоты трансформаторы делят на:

-пониженной частоты (менее 50 Гц)

-промышленной частоты (50 Гц)

-повышенной промышленной частоты (400, 1000, 2000 Гц)

-повышенной частоты (до 10000 Гц)

-высокой частоты

В зависимости от своего применения и характеристик трансформаторы бывают нескольких видов. (Табл. 1.2.1)

Таблица 1.2.1.

Классификация трансформаторов по виду

Таким образом, подводя итог первой главе, можно сказать, что существует большое количество трансформаторов, которые классифицируются по различным принципам и видам. К примеру, в электрических, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые.

2. Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны.

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала.

Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток трансформатора.

Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока - электрической сети с напряжением сети u₁. К вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Zн. Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и Х; обмотки НН - буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i₁, который создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС - е₁ и е₂ пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w₁и w₂ соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.

(Рис. 2.1)

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке.

; .

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением.

E₁ / E₂ = e₁ / e₂ = w₁ / w₂ . (1.1)

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3-5 % от номинальных значений U₁ и U₂, и считать E₁?U₁ и E₂?U₂, то получим

U₁ / U₂ ? w₁ / w₂ . (1.2)

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U₁ можно получить желаемое напряжение U₂. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w₂ берут больше числа w₁; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U₂, то число витков w₂ берут меньшим w₁; такой трансформатор называют понижающим.

Отношение ЭДС E_вн обмотки высшего напряжения к ЭДС Е_нн обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

(1.3)

Коэффициент n всегда больше единицы. В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трёхобмоточные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики - многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что даёт возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U₂, U₃, U₄ и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжения.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остаётся приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, полная мощность потребляемая из сети

S₁ = U₁ I₁ ,

практически полностью выделяется на нагрузке

S₁ = U₁ I₁ ? S₂ = U₂ I₂ .

Отсюда следуют соотношения между токами и напряжениями на первичной и вторичной обмотках трансформатора.

U₁ / U₂ = I₂ / I₁ = w₁ / w₂ = n . (1.4)

При уменьшении вторичного напряжения в n раз по сравнению с первичным, ток i₂ во вторичной обмотке соответственно увеличится в n раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а, следовательно, не передаётся электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E₁ в первичной обмотке ток I₁ = U₁ / R₁ весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать сопротивление нагрузки. Если к источнику переменного тока подключить нагрузку с сопротивлением R через трансформатор с коэффициентом трансформации n, то для цепи источника

(1.5)

где: Р₁ - мощность, потребляемая трансформатором от источника переменного тока, Вт;

- мощность, потребляемая нагрузкой с сопротивлением R от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления нагрузки R в n2 раз. Это свойство широко используется при разработке электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.

3. Области применения трансформаторов

трансформатор преобразование схема напряжение

Трансформаторы широко применяют для преобразования напряжения в системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямительных установках, устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях и функциональных преобразованиях.

Для питания разных узлов электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа). В блоке питания персонального компьютера обычно также применяется импульсный трансформатор, на первичную обмотку которого подаётся переменное напряжение прямоугольной чаще всего формы с выхода инвертора.

Наиболее часто трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов. Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не очень большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня. В электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий. Несмотря на высокий КПД трансформатора, в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВт).

Трансформаторы широко используются в промышленности и быту для различных целей (табл. 3.2.)

Таблица 3.2.

Цели использования трансформаторов

Анализируя данные таблицы, можно сказать, что трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольт-ампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более.

Подводя итог, можно сказать, что трансформаторы широко применяют для различных целей: преобразования напряжения в системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямительных установках, устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях и функциональных преобразованиях.

Заключение

На основании изучения теоретической литературы, использования информации СМИ и интернет источников по предложенной теме, в данной работе была рассмотрена тема: «Трансформаторы».

В ходе исследований проведенных в данной работе были рассмотрены общие сведения о трансформаторах, то есть общие понятие, классификация, история происхождения, принцип действия трансформаторов, и их области применения.

В результате мы пришли к выводу, что трансформаторы - это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока

В целом, делая заключение, проведенной работе, можно сказать, что поставленная цель была достигнута, а выявленные задачи были полностью решены.

Список использованной литературы

I.Специальная литература

1.Антонов М. В. Технология производства электрических машин.

Учебник/ М. В. Антонов, Герасимова Л. С. -- М.: 2007. -- 544 с.

2.Боровик С.С. Ремонт и регулировка бытовой радиоэлектронной аппаратуры. / Бродский М.А. Боровик С.С - Минск : Высшая школа, 2008.-208 с.

3.Китаев В. Е. Трансформаторы : Учебное пособие для техникумов / В. Е. Китаев. - М.: Высшая школа, 2004. - 184 с.

4.Лизунова С.Д. Силовые трансформаторы. Справочная книга/ С. Д. Лизунова, А. К. Лоханина. - М.: Энергоиздат 2004. -- 616 с

5.Сергеенков Б.Н. Электрические машины: Трансформаторы пособие для электромех. спец. вузов/Б. Н. Сергеенков, В. М. Киселёв, Н. А. Акимова, И. П. Копылов. -- М.: Высшая школа, 2009.--352 с.

II.Источники удаленного доступа

6. http://model.exponenta.ru/electro/0070.htm - Статья Дубовицкого Г. П.

7.http://www.induction.ru - Справочник об электрических машинах.

9. http://www.td-automatika.ru - Журнал «Автоматика».

Размещено на Allbest.ru