первичной обмоткой

Тема урока:
Среди приборов
переменного тока широкое
применение в технике
занимают трансформаторы.
Одно из назначений
трансформатора
заключается в том, чтобы
при передаче переменного
тока от источника на
дальние расстояния
повышать напряжение и
понижать его при переходе
к потребителю. Помимо
этого трансформаторы
используются при питании
от сети потребителей,
работающих на других
значениях напряжения.

Трансформа́тор (от лат. transformo —
преобразовывать) - это устройство
осуществляющее преобразование
переменного тока, при котором его
напряжение увеличивается или
уменьшается в несколько раз без потери
мощности.
Устройство трансформатора
Трансформатор состоит: из
замкнутого стального
сердечника, собранного из
пластин, на который надеты
две (иногда больше) катушек
с проволочными обмотками.
Одна называется первичной
(подключается к источнику
переменного напряжения).
Вторую обмотку, к которой
присоединяют «нагрузку»
(приборы), называют
вторичной.
 Действие трансформатора
основано на явлении
электромагнитной индукции.

Простейший трансформатор

Первичная обмотка подсоединяется к
источнику тока с ЭДС е1, создающей в
сердечнике ток I1,( создавая в сердечнике
трансформатора переменный магнитный
поток, который циркулирует по замкнутому
кругу), значит пронизывает все витки
первичной и вторичной обмотки.
В режиме холостого хода (при
разомкнутой цепи вторичной обмотки)
ток в первичной обмотке очень мал, изза большого индуктивного
сопротивления обмотки. В этом режиме
трансформатор потребляет небольшую
мощность.
 Когда в цепи вторичной обмотки
включается сопротивление нагрузки, в
ней возникает переменный ток I2, то
полный магнитный поток в сердечнике
создаётся обоими токами, но токи , I1 и I2
изменяются в противофазах, т.е. имеют
сдвиг фаз 180°

 I1 в
режиме нагрузки значительно больше
тока I1 холостого хода. Для амплитудных
значений напряжения на обмотках можно
записать:
 U2 /U1=n2/n1=k
 Но это соотношение применимо только к
идеальному трансформатору, в котором нет
рассеяния магнитного потока и отсутствие
потери энергии на тепло.
 У хороших современных трансформаторов
потери энергии при нагрузках, близких к
номинальным, не превышают 1-2%,
следовательно применимы к теории
идеального трансформатора.


Если пренебречь потерями, то мощность Р1
потребляемая трансформатором от источника
переменного тока равна мощности Р2,
передаваемой нагрузке, тогда: U1I1=U2I2
Что говорит о том, что токи в обмотках обратно
пропорциональны числу витков:
 I1/I2=U2/U1=n2/n1=k





k – коэффициент трансформации
При k<1 -трансформатор является
понижающим, при k>1 – повышающим;
Зная, что U2=Rн I2
U1/I1= Rн/k
Т.е. трансформатор «трансформирует» не
только напряжение, силу тока, но и
сопротивление
В современной
технике нашли
широкое
применение
трансформаторы
различных
конструкций.
 В радиотехнике
используются
небольшие
маломощные
трансформаторы,
имеющие
несколько
обмоток;



В электротехнике
часто применяют, так
называемые
трёхфазные
трансформаторы,
которые
одновременно
повышают или
понижают до3-х
напряжений
сдвинутых по фазе на
120° друг от друга
Мощные трёхфазные
трансформаторы
используются в
линиях
электропередач на
большие расстояния
История трансформатора









Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов:
неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.[1]
Столетов Александр Григорьевич (профессор МУ) сделал первые шаги в этом
направлении — обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру
ферромагнетика (80-е).[1]
Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей.[1]
В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление
электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического
трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области
электричества.
Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831
году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём
приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то
есть трансформирование переменного тока[2].
В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку.
Она явилась прообразом трансформатора.[1]
30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом
Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был
трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень,
на который наматывались обмотки.
Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в
1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон[2].
Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение
масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал
трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно
повышало надежность изоляции обмоток.[3]
История трансформатора




С изобретением трансформатора возник технический интерес к
переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович ДоливоДобровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока,
построил первый трёхфазный асинхронный двигатель и первый
трёхфазный трансформатор. На электротехнической выставке во
Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал
опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока
протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 КВт при
напряжении 95 В.
1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в
СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод
(впоследствии — Московский электрозавод).[4]
В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт
Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок
на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить
заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.[5]
Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был
сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П.
Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и
нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные
свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на
50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная
проницаемость возрастала в 5 раз.[5]
Виды трансформаторов

В технике нашли широкое применение
многие виды трансформаторов ( силовой
трансформатор, автотрансформатор, трансформатор тока,
трансформатор напряжения, импульсный трансформатор,
разделительный трансформатор и другие)
Базовые принципы действия
трансформатора
Схематическое устройство
трансформатора. 1 —
первичная обмотка, 2 —
вторичная
 Работа трансформатора
основана на двух базовых
принципах:
 Изменяющийся во времени
электрический ток создаёт
изменяющееся во времени
магнитное поле
(электромагнетизм)
 Изменение магнитного
потока, проходящего через
обмотку, создаёт ЭДС в этой
обмотке (электромагнитная
индукция)



На одну из обмоток, называемую первичной
обмоткой, подаётся напряжение от
внешнего источника. Протекающий по
первичной обмотке переменный ток создаёт
переменный магнитный поток В результате
электромагнитной индукции, переменный
магнитный поток во всех обмотках, который
возбуждает ЭДС индукции,
пропорциональную первой производной
магнитного потока, при синусоидальном
токе сдвинутой на 90° в обратную сторону
по отношению к магнитному потоку.
В некоторых трансформаторах,
работающих на высоких или сверхвысоких
частотах, магнитопровод может
отсутствовать.
Уравнения идеального
трансформатора

Идеальный трансформатор —
трансформатор, у которого отсутствуют
потери энергии на нагрев обмоток и
потоки рассеяния обмоток[14]. В
идеальном трансформаторе все силовые
линии проходят через все витки обеих
обмоток, и поскольку изменяющееся
магнитное поле порождает одну и ту же
ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС,
индуцируемая в обмотке,
пропорциональна полному числу её
витков[15]. Такой трансформатор всю
поступающую энергию из первичной цепи
трансформирует в магнитное поле и,
затем, в энергию вторичной цепи. В этом
случае поступающая энергия равна
преобразованной энергии:
Обозначение на схемах

Центральная толстая
линия соответствует
сердечнику, 1 — первичная
обмотка (обычно слева),
2,3 — вторичные обмотки.
Число полуокружностей в
очень грубом приближении
символизирует число
витков обмотки (больше
витков — больше
полуокружностей, но без
строгой
пропорциональности).
Применение трансформаторов

Наиболее часто трансформаторы применяются в
электросетях и в источниках питания различных
приборов.
Применение в
источниках
электропитания

Компактный
сетевой
трансформатор
Схема передачи электроэнергии