Решение задач по теме «Трансформаторы». 11-й класс
2. Каково устройство трансформатора? 3. Сколько чаще всего катушек у трансформатора?
4. На чем основан принцип работы трансформатора?
5. Трансформатор на холостом ходу.
6. Работа нагруженного трансформатора.
7. Что такое коэффициент трансформации?
8. Каким бывает численно коэффициент трансформации?
9. Какой трансформатор называют повышающим, какой понижающим?
10. Можно ли подключить трансформатор к сети постоянного напряжения?
11. Почему трансформатор гудит?
12. Почему сердечник трансформатора собирают из отдельных листов железа?
13. Почему сердечник называют магнитопроводом?
14. Можно ли сердечник сделать из меди?
15. Как найти КПД трансформатора? Каких наибольших значений он достигает?
16. Какие потери энергии могут быть в трансформаторе?
17. Как избежать потерь энергии в трансформаторе?
18. Можно ли включить в сеть переменного тока напряжением 220 В первичную катушку трансформатора, снятую с сердечника?
3. Тестовый опрос по теме трансформатор.
1. Сколько витков должна иметь первичная катушка трансформатора, чтобы повысить напряжение от 10 до 50 В, если во вторичной обмотке 80 витков?
2. Трансформатор является повышающим, если коэффициент трансформации его:
А) равен единице;
Б) меньше единицы;
В) больше единицы.
3. Сердечник трансформатора набран из отдельных изолированных пластин для:
А) экономии материала;
Б) уменьшения рассеяния магнитного потока;
В) уменьшения вихревых токов.
4. Каково соотношение между напряжением и числом витков в обмотках трансформатора?
5. Первичная катушка трансформатора – это та, что:
А) соединена с потребителем;
Б) соединена с источником;
Правильные ответы:
1 – В, 2 – Б, 3 – В, 4 – А, 5 – Б.
4. Решение задач.
1. Понижающий трансформатор со 110 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 22 000 В до 110 В. Сколько витков в его первичной обмотке?
2. Первичная обмотка повышающего трансформатора содержит 100 витков, а вторичная — 1000. Напряжение в первичной цепи 120 В. Каково напряжение во вторичной цепи, если потерь энергии нет?
3. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 300 витков, включен в сеть напряжением 220 В. Во вторичную цепь трансформатора, имеющую 165 витков, включен резистор сопротивлением 50 Ом. Найдите силу тока во вторичной цепи, если падение напряжения на ней равно 50 В.
4. Понижающий трансформатор дает ток 20 А при напряжении 120 В. Первичное напряжение равно 22000 В. Чему равны ток в первичной обмотке, а также входная и выходная мощности трансформатора, если его КПД равен 90%?
5. Повышающий трансформатор создает во вторичной цепи ток 2 А при напряжении 2200 В. Напряжение в первичной обмотке равно 110 В. Чему равен ток в первичной обмотке, а также входная и выходная мощности трансформатора, если потерь энергии в нем нет?
6. Первичная обмотка понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации 8 включена в сеть напряжением 200 В. Сопротивление вторичной обмотки 2 Ом, ток во вторичной обмотке трансформатора 3 А. Определите падение напряжения на зажимах вторичной обмотки. Потерями в первичной обмотке пренебречь.
5. Вопросы.
1. Почему на трансформаторной будке написано “Осторожно опасно!”. “Не влезай – убьет!”
2. Какой там трансформатор?
3. Первый трансформатор был изобретен в 1878 году. Это было 134 года тому назад. Чем он заслужил наше внимание? Чем он так хорош?
6. Подведение итогов.
Мы сегодня повторили тему “Трансформатор”. Я надеюсь, что вы поняли роль трансформатора в жизненной деятельности человека.
7. Домашнее задание. Параграф 39, задания на листе.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
Вариант 1
1. На каком физическом явлении основана работа трансформатора?
А. Магнитное действие тока.
Б. Электромагнитная индукция.
В. Тепловое действие тока.
2. Как изменится сила тока в первичной обмотке трансформатора при убывании силы тока в его вторичной обмотке?
Г. Ответ неоднозначен.
3. Напряжение на зажимах вторичной обмотки понижающего трансформатора 60 В, сила тока во вторичной цепи 40 А. Первичная обмотка включена в цепь с напряжением 240 В. Найдите силу тока в первичной обмотке трансформатора.
4. Первичная обмотка понижающего трансформатора включена в сеть переменного тока с напряжением 220 В. Напряжение на зажимах вторичной обмотки 20 В, ее сопротивление 1 Ом, ток в ней 2 А. Найдите коэффициент трансформации и КПД трансформатора.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
Вариант 2
1. Число витков в первичной обмотке трансформатора в 2 раза меньше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали напряжение U. Чему равно напряжение на вторичной обмотке трансформатора?
2. Во сколько раз изменяются потери энергии в линии электропередачи, если на понижающую подстанцию будет подаваться напряжение 10 кВ вместо 100 кВ при условии передачи одинаковой мощности?
А. Увеличится в 10 раз.
Б. Уменьшится в 100 раз.
В. Увеличится в 100 раз.
3. Трансформатор имеет коэффициент трансформации 20. Напряжение на первичной обмотке 120 В. Определите напряжение на вторичной обмотке и число витков в ней, если первичная обмотка имеет 200 витков.
4. Первичная обмотка трансформатора имеет 2400 витков. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка, чтобы при напряжении на зажимах 11 В передавать во внешнюю цепь мощность 22 Вт? Сопротивление вторичной обмотки 0,2 Ом. Напряжение в сети 380 В.
Домашнее задание по теме “Трансформатор”
Вариант 3
1. Как изменится сила тока в первичной обмотке трансформатора при возрастании силы тока в его вторичной обмотке?
Г. Ответ неоднозначен.
2. Какой ток можно подавать на обмотку трансформатора?
А. Только переменный.
Б. Только постоянный.
В. Переменный и постоянный.
3. Трансформатор повышает напряжение с 220 В до 1,1 кВ и содержит 700 витков в первичной обмотке. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков во вторичной обмотке? В какой обмотке провод большего сечения?
4. Первичная обмотка трансформатора с коэффициентом трансформации, равным 8, включена в сеть с напряжением 220 В. Сопротивление вторичной обмотки 2 Ом, сила тока во вторичной обмотке трансформатора 3 А. Определите напряжение на зажимах вторичной обмотки. Потерями в первичной обмотке пренебречь.
Основные сведения о трансформаторах как физическом явлении
Трансформатор — это статический прибор, который разработан для того, чтобы преобразовывать напряжение и передавать его на большие расстояния без изменения частоты электрического тока.
Самый простой трансформатор включают в себя две обмотки с изолированными электропроводами. Эти провода намотаны вокруг стального многослойного сердечника. Источник: hees.ru
Простое объяснение принципа работы прибора
- Рабочий режим — когда вторичная катушка трансформатора получает ток, напряжение и сопротивление от первичной цепи.
- Режим холостого хода предполагает размыкание вторичной обмотки. Этот режим позволяет произвести расчет коэффициента трансформации и измерить ток, который течет в первичной цепи.
- Режим короткого замыкания предполагает замыкание концов вторичной обмотки напрямую, при котором сопротивление в цепи равно нулю. В этом режиме можно определить потери, которые происходят за счет нагревания обмоток.
Коэффициент трансформации
Определение 2
Коэффициент трансформации в трансформаторе — это величина, которая показывает преобразовательную функцию трансформатора относительно одного из параметров электрической цепи: силы тока, напряжения или сопротивления.
В физике формулы для вычисления этой величины представлены таким образом:
Подготовлено совместно с репетитором:
Нужна помощь?
- Репетитор по физике
- Репетитор по физике 9 класс
- Репетитор для подготовки к ОГЭ по физике
- NEW! Курс подготовки к ОГЭ по физике | 2023-2024
Трансформатор, виды, назначение и устройство
«Трансформатор — это устройство, предназначенное для изменения напряжения электрического тока или тока магнитной индукции. Основная функция трансформатора заключается в преобразовании электрической энергии из одной величины напряжения в другую величину напряжения при сохранении мощности. «
1. История изобретения
2. Назначение трансформатора
3. Виды, применение
4. Схема, устройство
История изобретения
История изобретения трансформатора связана с именем русского ученого и изобретателя Павла Николаевича Яблочкова. Родился 14 сентября 1847 года в селе Сапожок Рязанской губернии. С детства он проявлял интерес к технике и науке, и уже в юности начал заниматься изобретательством. В 1870-х годах работал над созданием электрической свечи – устройства, способного преобразовывать постоянный ток в яркий свет.
В 1876 году Яблочков переехал в Париж, где продолжил свои исследования. Именно там в 1881 году он изобрел трансформатор. Идея создания устройства пришла к нему, когда он работал над усовершенствованием своей электрической свечи. Ченый заметил, что для работы свечи требуется очень высокое напряжение, и решил найти способ уменьшить его.
Ученый создал первый трансформатор, используя две катушки индуктивности, соединенные медной проволокой. Когда одна из катушек была подключена к источнику высокого напряжения, вторая катушка начинала генерировать ток низкого напряжения. Это позволило Яблочкову значительно уменьшить напряжение, необходимое для работы свечей.
Позднее, в 19 веке, трансформаторы стали использоваться для передачи электроэнергии на большие расстояния. Это стало возможным благодаря изобретению трехфазной системы передачи электроэнергии, разработанной Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. В начале 20 века трансформаторы стали неотъемлемой частью электрической инфраструктуры.
Сегодня трансформаторы используются повсеместно – от бытовой техники до промышленных систем. Они играют ключевую роль в передаче и распределении электроэнергии по всему миру.
Назначение трансформатора
Назначение трансформатора заключается в выполнении следующих функций:
Повышение или понижение напряжения
Трансформаторы используются для повышения напряжения входящего тока до требуемого уровня, чтобы обеспечить безопасную передачу электроэнергии на большие расстояния. Также они могут использоваться для понижения напряжения, чтобы сделать его более доступным для конечных потребителей.
Изоляция и безопасность
Изделия обеспечивают изоляцию между первичной и вторичной обмотками, что снижает риск электрического удара и предотвращает возникновение короткого замыкания.
Балансировка нагрузки
Трансформаторы могут быть использованы для балансировки нагрузки между разными источниками электроэнергии, такими как линии электропередач, чтобы предотвратить перегрузку и перегрев.
Передача электроэнергии на большие расстояния
Приборы играют ключевую роль в передаче электроэнергии на большие расстояния, поскольку они уменьшают потери мощности, вызванные сопротивлением и индуктивностью проводов.
Защита от помех и шумов
Трансформаторы могут использоваться для подавления электромагнитных помех и шумов, которые могут возникнуть в электрических цепях.
Разделение и объединение цепей
Трансформаторы также могут использоваться для разделения и объединения цепей, например, для обеспечения безопасности в медицинских устройствах или для подключения нескольких устройств к одной электрической розетке.
Виды трансформаторов, применение
Ниже мы рассмотрим различные виды трансформаторов, их характеристики, принципы работы и области применения.
Силовой трансформатор
Силовой трансформатор – это устройство, предназначенное для передачи и распределения электрической энергии. Он преобразует напряжение и ток на входе в необходимые значения на выходе. Силовые трансформаторы используются в электрических сетях, промышленных установках, а также на электростанциях.
Автотрансформатор
Автотрансформатор – это трансформатор, в котором две или более обмотки соединены электрически, что позволяет ему выполнять функции обычного трансформатора с меньшим количеством обмоток. Благодаря своей конструкции, автотрансформаторы обладают более высоким коэффициентом полезного действия и более низкой стоимостью по сравнению с силовыми трансформаторами. Однако они имеют ограниченную мощность и могут быть подвержены короткому замыканию.
Многообмоточный трансформатор
Это вид силового трансформатора, имеющий несколько обмоток на одном сердечнике. Количество обмоток может варьироваться от двух до нескольких десятков. Каждая обмотка имеет свою функцию и назначение, например, одна обмотка может обеспечивать питание устройства, другая – выполнять функцию заземления, а третья – обеспечивать защиту от перенапряжения.
Повышающий трансформатор
Повышающий трансформатор – это тип трансформатора, который увеличивает напряжение на выходе по сравнению с напряжением на входе. Он используется в системах передачи электроэнергии на большие расстояния для уменьшения потерь мощности в линии.
Понижающий трансформатор
Понижающий трансформатор – это трансформатор, который уменьшает напряжение на выходе относительно напряжения на входе. Понижающие трансформаторы широко используются в бытовых приборах, источниках питания устройств и других приложениях, где необходимо снизить высокое напряжение сети до более низкого уровня.
Тороидальный трансформатор
Это силовой трансформатор, имеющий форму тора. Его сердечник имеет форму кольца, что обеспечивает меньшие потери на вихревые токи и более высокую эффективность по сравнению с трансформаторами с сердечниками прямоугольной формы. Тороидальные трансформаторы обычно используются в источниках питания для аудио- и видеооборудования, а также для радиолюбительских приложений.
Трехфазный трансформатор
Это трансформатор с тремя первичными и вторичными обмотками, связанными между собой по схеме “звезда” или “треугольник”. Трехфазные трансформаторы применяются в трехфазных электрических сетях для преобразования напряжения и тока между различными уровнями напряжения.
Импульсный трансформатор
Это особый вид трансформатора, преобразующий короткие импульсы напряжения в более длинные и мощные. Он используется в устройствах, где требуется быстрое и точное преобразование уровня сигнала, таких как импульсные источники питания, системы управления и телекоммуникационное оборудование.
Разделительный трансформатор
Разделительный трансформатор – это специальный тип силового трансформатора, используемый для разделения электрической и заземляющей цепей в целях безопасности. Он обеспечивает изоляцию между цепями и предотвращает поражение электрическим током в случае короткого замыкания. Разделительные трансформаторы часто используются в медицинских учреждениях, лабораториях и других местах, где требуется высокая степень безопасности.
Схема трансформатора, устройство
Устройство трансформатора состоит из нескольких основных компонентов: сердечника, обмоток, системы охлаждения, корпуса и изоляционных материалов.
Сердечник трансформатора
Сердечник является основным элементом трансформатора, на котором располагаются обмотки. Он состоит из набора пластин электротехнической стали, которые обеспечивают минимальное сопротивление магнитному потоку и максимальную индуктивность обмоток. Пластины сердечника изолированы друг от друга для предотвращения возникновения вихревых токов (токов Фуко).
Обмотки трансформатора
Обмотки трансформатора представляют собой провода, навитые на сердечник. Первичная обмотка принимает входное напряжение, а вторичная выдает выходное напряжение. Количество витков каждой обмотки определяет коэффициент трансформации напряжения. Обычно первичная обмотка имеет больше витков, чем вторичная.
Система охлаждения
Для отвода тепла, выделяемого при работе трансформатора, используются различные системы охлаждения. Они могут быть естественными (воздушными) или принудительными (жидкостными или газовыми). В зависимости от типа системы охлаждения, трансформатор может быть открытым или герметичным.
Корпус трансформатора
Корпус служит для защиты его внутренних компонентов от внешних воздействий и механических повреждений. Он также обеспечивает возможность установки трансформатора на монтажную поверхность или в стойку.
Изоляционные материалы
Изоляционные материалы используются для обеспечения электрической изоляции между обмотками, сердечником и корпусом трансформатора. Они также защищают компоненты трансформатора от коррозии и других внешних воздействий.
В зависимости от конструкции и назначения, трансформаторы могут иметь дополнительные элементы, такие как датчики температуры, вентиляторы для принудительного охлаждения, автоматические регуляторы напряжения и т. д.
Характеристики
Основные характеристики трансформатора включают:
- Мощность: Это произведение входного напряжения на входной ток. Измеряется в ваттах (Вт).
- Коэффициент трансформации: Это отношение выходного напряжения к входному напряжению. Если коэффициент трансформации равен 1, то трансформатор является понижающим, если больше 1 — повышающим.
- КПД: Это соотношение выходной мощности к входной мощности. Чем выше КПД, тем меньше потерь энергии в трансформаторе.
- Индуктивность первичной обмотки: Это коэффициент пропорциональности между током через обмотку и создаваемым им магнитным потоком. Индуктивность измеряется в генри (Гн).
- Взаимная индуктивность между обмотками: Это коэффициент, характеризующий связь между магнитными потоками, создаваемыми токами в разных обмотках. Измеряется в мГн (миллигенри).
- Сопротивление обмоток: Это параметр, который определяет потери энергии на нагрев обмоток, измеряется в омах (Ом).
- Тип сердечника: Компонент может быть изготовлен из различных материалов, таких как электротехническая сталь, перминвар или феррит. Выбор материала влияет на индуктивность обмоток и потери энергии в сердечнике.
- Рабочая частота: Большинство трансформаторов работают на частоте 50 или 60 Гц, но есть также, которые работают на других частотах, например, импульсные трансформаторы.
- Температурный режим: Трансформаторы должны работать в определенном температурном диапазоне, чтобы обеспечить их надежную работу и долгий срок службы.
- Класс изоляции: Изоляция между обмотками и сердечником должна выдерживать определенное напряжение, чтобы предотвратить пробой изоляции и короткое замыкание.
КПД трансформатора
КПД трансформатора (коэффициент полезного действия) — это отношение мощности на выходе трансформатора к мощности на его входе. Он показывает, какая часть потребляемой энергии преобразуется в полезную мощность на выходе.
КПД трансформатора зависит от следующих факторов:
- Потери в сердечнике: потери на гистерезис возникают из-за перемагничивания сердечника, а потери на вихревые токи — из-за возникновения токов Фуко в сердечнике. Для снижения этих потерь используют материалы с низкой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью.
- Потери на нагревание: возникают из-за нагрева обмоток трансформатора. Происходит это из-за протекания тока через обмотки и зависят от сопротивления обмоток и силы тока. Для уменьшения этих потерь используются материалы с низким удельным сопротивлением и улучшенная конструкция обмоток.
- Магнитные потери: потери на рассеивание магнитного поля в окружающем пространстве. Они зависят от качества сборки трансформатора и его конструкции.
- Электрические потери: связаны с нагревом проводов обмоток из-за их электрического сопротивления.
- Механические потери: потери из-за трения между движущимися частями трансформатора.
В целом, для повышения КПД трансформатора необходимо оптимизировать его конструкцию, использовать материалы с низкими потерями и улучшать качество сборки.
Перемотка
Перемотка трансформатора – это процесс создания или обновления обмотки на сердечнике трансформатора. Этот процесс включает в себя следующие этапы:
- Выбор материала для обмотки: обмотка может быть сделана из меди, алюминия или других проводящих материалов. Выбор зависит от требований к трансформатору и условий его эксплуатации.
- Расчет количества витков: это зависит от напряжения, тока и мощности трансформатора, а также от типа сердечника (шихтованный или ленточный).
- Подготовка сердечника: сердечник может быть шихтованным или ленточным, и его необходимо предварительно подготовить – очистить от старой обмотки и изоляции, проверить на отсутствие дефектов и провести его пропитку специальным лаком.
- Изготовление каркаса для обмотки: для создания каркаса используется электрокартон или специальная бумага. Каркас необходим для обеспечения равномерного распределения витков и предотвращения их смешения.
- Намотка провода: провод наматывается на каркас, причем необходимо следить за тем, чтобы витки были равномерно распределены и не пересекались друг с другом.
- Изоляция обмотки: после намотки провода на него необходимо нанести изоляцию, которая защитит его от механических повреждений и предотвратит возникновение короткого замыкания. Для этого используются специальные изоляционные материалы, например, лакоткань или электрокартон.
- Установка выводов: после изоляции обмотки устанавливаются выводы для подключения к источнику питания и нагрузке. Выводы могут быть изготовлены из медных или алюминиевых проводов, в зависимости от требований.
- Сборка трансформатора: после выполнения всех этапов перемотки и установки выводов трансформатор собирается, и проверяется его работоспособность.
- Испытания: после сборки трансформатор необходимо испытать на работоспособность, измерить его параметры (сопротивление, индуктивность, емкость) и проверить отсутствие коротких замыканий и других дефектов.
Эксплуатация трансформатора
Эксплуатация трансформатора заключается в следующем:
1. Перед включением необходимо проверить уровень масла, исправность всех компонентов, а также состояние заземления.
2. После включения необходимо установить нагрузку на трансформатор, которая соответствует его номинальной мощности.
3. Во время работы необходимо контролировать температуру, уровень масла и состояние изоляции.
4. Периодически необходимо проводить техническое обслуживание трансформатора, заменять масло, фильтры, проверять состояние обмоток.
5. Также необходимо обслуживать и ремонтировать вспомогательные устройства, такие как вентиляторы, насосы, и клапаны.
6. При эксплуатации трансформатора необходимо соблюдать правила техники безопасности.
В процессе эксплуатации ведется учет проведенных работ и замен, который позволяет контролировать состояние трансформатора.
Коэффициент трансформации
Коэффициент трансформации – показывает значение во сколько раз изменилась величина вторичного тока и напряжения. Также с его помощью можно определить какой трансформатор: понижающий или повышающий.
Для силового трансформатора
Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).
- U1 и U2 — напряжение в первичной и вторичной обмотки,
- N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотке,
- I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотки.
Трансформатор тока
Формула для вычисления коэффициента трансформации ТТ:
Значения коэффициентов обычно очень большие по сравнению с силовым трансформатор. Величины могут быть такими, как представлено в таблице:
Определим коэфф. трансформации: возьмём ТТ со значениями которые выделены в таблице 600/5 = 120. Также можно взять любой трансформатор 750/5 = 150; 800/2 = 400 и тд.
Подробнее о трансформаторе тока(ТТ): Читать статью
Трансформатор напряжения
Формула для вычисления коэффициента трансформации ТН:
Давайте рассчитаем коэффициент трансформации для ТН который показана на фото ниже:
Нужно взять напряжение первичной обмотки(красная стрелка) и разделить на напряжение вторичной обмотки(жёлтая стрелка). 35000/100 = 350.
Подробнее о трансформаторе напряжения(ТН): Читать статью
Автотрансформатор
Формула для вычисления коэффициента трансформации у автотрансформатора:
Подробнее об автотрансформаторе(ЛАТР): Читать статью