ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Трансформаторы и преобразователи

Литература

1.Калашников С.Г. Электричество. М.,1977.

2.Китунович Ф.Г. Электротехника. Мн.,1999.

Трансформатор (от латинского слова «трансформо» – преобразую) представляет собой устройство, предназначенное для преобразования напряжения и силы переменного тока. Этот прибор изобрел русский электротехник П.Н. Яблочков в 1876. Основное применение трансформатора – передача электрической энергии переменного тока на большие расстояния с малыми потерями. В радиотехнике трансформаторы используются для получения различных по величине напряжений, а также для передачи сигналов от одной электрической цепи к другой.

В процессе обучения физике трансформаторы широко используются при проведение физического эксперимента. Кроме того, в школьном курсе физики изучается принцип трансформации низкочастотного переменного тока.

Целью данной работы является изучение устройства, технических параметров, правил эксплуатации различных типов трансформаторов.

В процессе подготовки и выполнения работы необходимо овладеть следующими знаниями, умениями и навыками:

1. Знать назначение, принцип действия, устройство однофазного трансформатора и режим его работы.

2. Знать назначение, устройство, технические характеристики и правила эксплуатации различных типов трансформаторов школьного кабинета физики.

3. Уметь демонстрировать различные режимы работы однофазного трансформатора.

4. Овладеть умениями и навыками работы с различными типами трансформаторов, уметь выполнять с ними различные демонстрационные опыты.

Принцип действия трансформатора

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального замкнутого сердечника и двух обмоток N₁ и N₂(рис.3-1). Обмотки трансформатора электрически изолированы друг от друга. Для усиления магнитной связи в большинстве трансформаторов обмотки размещаются на сердечнике (магнитоотводе), собранном из листовой электротехниче-

Рис. 3-1. ской стали, (сердечник отсутствует только в воздушных трансформаторах).

Обмотка трансформатора, соединенная с источником электроэнергии, называется первичной, а обмотка, отдающая электроэнергию, – вторичной.

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряженем U₁ по ней проходит переменный ток І₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот магнитный поток пронизывает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует в них переменные ЭДС и . Если первичная обмотка содержит N₁ витков, а вторичная N₂, то в любой момент времени (1), а (2). Из уравнений (1) и (2) следует: (3)

Соотношения (3) справедливо для любых мгновенных значений ЭДС и, таким образом, справедливо и для действующих значений: (4)

Если не учитывать падение напряжения в обмотках трансформатора (оно мало), то можно считать, что E₁=U₁ и E₂=U₂. Тогда соотношение (4) можно записать в виде: , где k–постоянная величина для данного трансформатора, которую называют коэффициентом трансформации.

Если U₁>U₂ (k>1), то трансформатор является понижающим; если U₁<U₂ (k<1), то трансформатор повышающий. В паспорте технических трансформаторов коэффициент трансформации обычно указывается как отношение высшего напряжения к низшему.

Описанный режим работы трансформатора, при котором первичная обмотка находится под номинальным напряжением, а вторичная – разомкнута (сила тока и мощность в ней равны нулю), называется холостым ходом трансформатора. Такой режим работы дает возможность практически определить коэффициент трансформации.

При работе трансформатора под нагрузкой (рабочий режим), т.е. при включении потребителя электроэнергии в цепь вторичной обмотки, напряжение на первичной обмотки остается почти неизменным, а сила тока в ней изменяется пропорционально изменению силы тока во вторичной обмотке. Это происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии потребителю, который включен в цепь вторичной обмотки трансформатора, сопровождается потреблением от сети такого же количества энергии первичной обмоткой.

Мощность тока в первичной цепи трансформатора равна мощности в цепи вторичной обмотке (если не учитывать потери энергии в самом трансформаторе): P₁=P₂ или I₁U₁=I₂U₂. Поэтому соотношение силы токов и напряжений в обмотках трансформатора можно выразить формулой :. Отсюда следует, что вместе с трансформацией напряжения происходит также изменение силы тока: повышающий трансформатор уменьшает силу тока, а понижающий – увеличивает ее.

На самом деле, мощности тока в первичной и вторичной обмотках одинаковы лишь в идеальном случае. Практически же часть электрической энергии бесполезно тратится в обмотках и магнитопроводе. При прохождении электрического тока обмотки трансформатора нагреваются и эти потери называют потерями в меди. В процессе работы трансформатора его сердечник перемагничивается (явление гистерезиса), на что расходуется энергия. Кроме того, в сердечнике индуцируются вихревые токи, которые нагревают его. Расход энергии на перемагничивание сердечника (потери на гистерезис) и на нагревание сердечника вихревыми токами (потери на вихревые токи) называют потерями в стали. Механических потерь мощности в трансформаторе нет. Суммарные потери энергии в современных мощных трансформаторах не превышают 2–3% и таким образом их КПД составляет 97–98%. Для уменьшения потерь энергии в трансформаторах, их сердечники делают из мягких сортов железа в виде отдельных пластин, которые разделяют изолирующими слоями.