Создание учебной модели трансформатора

Трансформатор – один из наиболее эффективных электрических аппаратов, способных преобразовывать переменный ток одного номинала в другой, с малыми потерями энергии.

( В промышленности, на транспорте, в быту используется электрический ток различных напряжений. От генераторов, производящих ток, требуется передавать энергию на большие расстояния. При большой длине проводов линий электропередач возникают потери, связанные с электрическим сопротивлением:

R (Ом) = ρ* l(м)/S (мм2)

Например, необходимо передать электрическую энергию мощностью 1000 КВт. Сопротивление проводов линии электропередачи 20 Ом. Если генератор вырабатывает напряжение 5 КВ, то ток должен быть 200 А. Можно найти по формулам:

P=U*I I=P/U

Потери мощности на нагрев проводов равны I2 * R, следовательно, потеряется бесполезно:

40000(А) * 20(Ом)=800000 Вт = 800 КВт

Если же генератор вырабатывает напряжение 50 КВ, то ток, создаваемый генератором, составит 20 А. И тогда потеряется:

400(А) * 20(Ом)=8000 Вт = 8 КВт

Уменьшить сопротивление линии путем увеличения сечения проводов невыгодно, так как увеличивается масса проводов, возникают значительные механические нагрузки на опоры и изоляторы линий электропередач. Поэтому напряжение на электростанциях повышают до 110, 220, 750 КВ, иногда и выше, у потребителей электроэнергии напряжение понижают до необходимых значений.

Сх. передачи электроэнергии от электростанции к потребителю

Для этих целей применяются трансформаторы (от латинского transformo–преобразую)

Майкл Фарадей, исследуя электромагнитную индукцию, пропускал ток по обмоткам катушки. В расположенной рядом катушке в моменты включения и выключения тока в первичной катушке он наблюдал кратковременные появление тока в расположенной рядом обмотке.

В 1848 году Даниель Румкорф первым обратил внимание физиков на удивительные способности трансформатора создавать токи очень высокого напряжения. Но прошло еще несколько лет, прежде чем ему удалось создать работающую модель этого прибора. В результате, в 1852 году появилась знаменитая индукционная катушка Румкорфа, которая сыграла огромную роль в истории техники. Было замечено, что Э. Д. С. , наводящееся во вторичной обмотке при подаче переменного тока, зависит от количества витков; сделав количество витков вторичной обмотки больше количества витков первичной обмотки, Румкорф получил повышающий трансформатор.

Для её создания ученый купил и тщательно заизолировал несколько километров тонкой, как волос, проволоки, а затем аккуратно навил на катушку виток к витку. С помощью своей катушки он мог получать колебания тока очень высокого напряжения.

На протяжении нескольких десятилетий трансформаторы почти не использовались в технике и имели исключительно научное применение.

Трансформатор, который получил Румкорф, под названием индукционной катушки, использовал американский изобретатель Томас Альва Эдисон, который работал над усовершенствованием телефона Белла и микрофоном Юза. Не меняя характера напряжения колебаний, этот трансформатор усилил напряжение, создаваемое угольным микрофоном Юза.

Первые трансформаторы, в том числе использованные Яблочковым для питания электрических свечей, были с разомкнутым сердечником. «Это изобретение,- пишет

Яблочков,- имеет целью расположение токов для получения электрического света, которое позволяет включать в цепи, питаемой от одного источника тока, произвольное число светильников как одинаковой, так и различной силы света, и которое позволяет вдобавок менять силу света светильников. В любое точке цепи я включаю индуктирующую катушку, через которую проходит ток от источника тока. Далее я помещаю надлежащим образом вторую катушку, в которой первая индуцирует ток»

После изобретения трансформатора с замкнутой магнитной системой – магнитопроводом – братьями Джонсом и Эдуардом Гопкинс, такие трансформаторы стали применяться для передачи электрической энергии на расстояние

В 1891 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский осуществил передачу переменного трехфазного тока, мощностью 200 КВт на расстояние 175 км, при напряжении

15 КВ; К. П. Д. линии при этом достигало 81%, а сечение медных проводов составило всего 12,5 мм2

В широко используемых электронных приборах (компьютеры, телевизоры, мобильные телефоны), которые питаются или подзаряжаются от бытовой сети электрического тока (~220 В), напряжение необходимо понижать, и в этих целях так же применяют трансформаторы.

Продемонстрировать опыт взаимоиндукции

Принцип взаимоиндукции заключается в том, что если расположить рядом две катушки, и в одной из них вызвать изменения тока, например, подавая на нее переменный ток, то изменяющееся магнитное поле этой катушки приведёт к появлению индуктированной (от лат. inducto – навожу) Э. Д. С. в расположенной рядом катушке. Эту наведенную Э. Д. С. можно значительно усилить, если катушки расположить на общем стальном сердечнике. Опыт демонстрируется при помощи учебного трансформатора, который легко разбирается. У трансформатора 2 катушки, расположенные на общем броневом сердечнике. Расположим катушки рядом, к катушке “~4В” подключим вольт- метр переменного тока, катушку “~36В” подключим к гнездам “U2”, расположенным на передней стенке модели. При помощи вольтметра убедимся, что при замкнутом магниитопроводе Э. Д. С. вторичной обмотки (индуктированная Э. Д. С. ) будет значительно больше.

В динамическом режиме показать принцип трансформации переменного тока

В модели трансформатора рисунок расположен на передней стенке. Из рисунка следует, что первичная обмотка подключена к генератору переменного тока (к бытовой сети), она имеет большее количество витков; вторичная обмотка, к которой может быть подключена нагрузка, имеет меньшее количество витков. Такой трансформатор называется понижающим. В рисунок помещены светодиоды: в первичную обмотку – оранжевые, во вторичную – зеленые, в магнитопровод – плоские красные. При включении динамической схемы светодиоды переключаются по реверсивной схеме “вперед-назад”,имитируя изменение направления тока в первичной обмотке, изменение направления магнитного поля, появление Э. Д. С. во вторичной обмотке. При построении модели учитывалось правило буравчика.

Исследовать реальный трансформатор

В комплексе для исследования параметров применен промышленный унифицированный трансформатор 1Ф4. 702. 005.

Для снятия характеристик необходимы приборы, которые смонтированы в виде отдельных блоков. В левом от, модели блоке, смонтированы: цифровой демострационный амперметр с пределом измерения ~999 mA и цифровой мультиметр с пределом измерения ~750 B. В правом блоке находятся: реостат с сопротивлением 30 Ом, мощностью 150 Вт; амперметр с пределом измерения 5А переменного и постоянного тока; цифровой вольтметр с пределом измерения ~99. 9 B. В модели имеется внутренняя нагрузка (ТЭН), сопротивление которого, вместе с добавочным сопротивлением 1 Ом, составляет 24,5 Ом. Эта нагрузка подключается к вторичной обмотке трансформатора напряжением 24,5В; таким образом мы имеем нормализованный ток нагрузки 1А.

По результатам измерений получаем: в режиме холостого хода ток I2 равен нулю, падение напряжения на сопротивлении вторичной обмотки отсутствует, Э. Д. С. вторичной обмотки E2=U2.

В первичной обмотке протекает ток I1=0. 094 A. Этот ток, который называется током холостого хода, создает в цепи первичной обмотки бесполезную потерю мощности на перемагничивание стали сердечника (гистерезис) и вихревые токи. Этот ток незначителен, и Э. Д. С. Е1 можно также приравнять напряжению: E1=U1.

В результате по показаниям вольтметров коэффициент трансформации:

K=U1/U2

Так как Э. Д. С. обмоток трансформаторов прямо пропорциональны числам витков, можно записать:

U1/U2=W1/W2

В рабочем режиме к вторичной обмотке подключена нагрузка. Когда ток нагрузки I2 растет, падает напряжение на этой обмотке U2, U1 поддерживается напряжением питающей сети, но ток I1 возрастает. Любое изменение тока нагрузки во вторичной обмотке трансформатора сопровождается изменением тока, потребляемого трансформатором из сети. Намагничивающая сила вторичной обмотки, согласно правилу Ленца, будет стремиться уменьшить поток первичной обмотки. Поэтому по виткам первичной обмотки должен проходить такой ток, который возбуждал бы магнитный поток и, кроме того, компенсировал размагничивающее действие вторичной обмотки.

Измеряя токи и напряжения обмоток, измерим мощности S1 и S2 для различных токов нагрузки и сведем их в таблицу.

U1,В I1,А S1,ВA U2,В I2,А S2,ВA КПД

P1 (Bт)

I2 (A) 1 2 3 4 5 6

P2 (Bт)

Рассчитать КПД трансформатора по формуле: КПД=Р2/Р1; и записать полученные результаты в таблицу.

Построить график зависимости КПД трансформатора от тока нагрузки и проанализировать полученный график.