В-56 Дослідження роботи трансформатора

Мета: ознайомитися з будовою трансформатора та принципом його роботи; навчитися визначати коефіцієнт трансформації, коефіцієнт корисної дії трансформатора.

Прилади і матеріали: комп’ютерна програма “Crocodile Physics”.

 

Теоретичні відомості

Трансформатор – це електромагнітний пристрій, призначений для перетворення енергії змінного струму однієї напруги на енергію змінного струму іншої напруги за незмінної частоти. Він складається із замкненого осердя і обмоток. Осердя виготовляється з пластин електротехнічної сталі і править за магнітопровід трансформатора. Обмотки розміщені на осерді і виготовляються з ізольованого дроту у вигляді шпульок прямокутної або круглої форми. Обмотка приєднана до джерела струму, називається первинною. Обмотка, до якої приєднані приймачі електричної енергії, називається вторинною. Вторинних обмоток може бути кілька.

Трансформатори, в яких у вторинних обмотках кількість витків більша за кількість витків у первинній, називаються підвищувальними. Якщо навпаки – то такі трансформатори називаються знижувальними.

В залежності від призначення трансформатори бувають імпульсними, погоджувальними та трансформаторами живлення.

Імпульсні трансформатори призначені для формування і трансформації імпульсів малої тривалості. Основною вимогою для імпульсних трансформаторів є незначне спотворення форми імпульсу, що трансформується.

Незважаючи на різне призначення, всі трансформатори мають однотипну конструкцію.

Погоджувальні трансформатори призначені для зміни амплітуди напруги (струму) електричних сигналів, що несуть корисну інформацію. Вони дозволяють погодити джерело сигналів з навантаженням за мінімального спотворення сигналу. Разом з активними елементами (транзисторами, лампами) вони входять до пристроїв, що підсилюють електричні коливання. Розрізняють вхідні, міжкаскадні і вихідні трансформатори. Вхідні трансформатори вмикають на вході підсилювального пристрою і погоджують вихідний опір джерела сигналів, наприклад мікрофона, із вхідним опором підсилювача. Оскільки рівень вхідних сигналів порівняно невеликий, то ці трансформатори повинні бути добре захищені від впливу зовнішніх магнітних полів. Міжкаскадні трансформатори погоджують вихідний опір попереднього каскаду з вхідним опором наступного. Вихідні трансформатори погоджують вихідний опір підсилювача з зовнішнім навантаженням. Ці трансформатори повинні забезпечувати передачу великої потужності від підсилювача до навантаження.

Трансформатори живлення застосовують в блоках живлення радіоприладів і служать для отримання змінних напруг, необхідних для нормального функціонування апаратури. Умовно їх поділяють на малопотужні (вихідна потужність до 1 кВт) і потужні (вихідна потужність більша за 1 кВт), низьковольтні (напруга на обмотках менша за 1000 В) і високовольтні. За конструкцією до трансформаторів живлення близькі дроселі. Власне кажучи, дроселі – це однообмоткові трансформатори, які вмикають послідовно в коло пульсуючого струму з метою усунення пульсацій цього струму.

У трансформаторах застосовують три типи магнітопроводів: стрижневий, броньовий і кільцевий.

Трансформатори зі стрижневим магнітопроводом мають нерозгалужене магнітне коло, на двох його стержнях розташовують дві котушки з обмотками. Таку конструкцію використовують звичайно для трансформаторів великої і середньої потужності, тому що наявність двох котушок збільшує площу тепловіддачі і поліпшує тепловий режим обмоток. Трансформатори з броньовим осердям мають розгалужене магнітне коло, обмотки в цьому випадку розміщуються в одній шпульці, розташованій на центральному стрижні магнітопроводу. Такі магнітопроводи використовують у малопотужних трансформаторах.

Трансформатори, виготовлені на кільцевих осердях найбільш складні і дорогі. Основними перевагами їх є дуже незначна чутливість до зовнішніх магнітних полів і мале розсіювання магнітного потоку. Обмотки в трансформаторі намотують рівномірно по всьому тороїду, що дозволяє ще більше зменшити втрати енергії.

 

 

Рисунок 56.1 – Схематична будова трансформатора.
1 – первинна обмотка, 2 – вторинна.

 

Нехай N ₁ і N ₂ – кількість витків у первинній і вторинній обмотках. До первинної обмотки приєднано джерело струму зі змінною напругою U ₁. Вторинна шпулька розімкнена (режим холостого ходу). Первинна обмотка в колі змінного струму створює значний індуктивний опір, і в ній струм І ₀ (холостого ходу) незначний, він відстає від напруги U ₁ майже на 90°.

Оскільки осердя замкнуте, то розсіювання ліній магнітної індукції в повітрі незначне і можна вважати, що магнітний потік в осерді однаковий для обох обмоток. Цей магнітний потік Ф, пропорційний до сили струму І₁, збуджує у первинній обмотці ЕРС самоіндукції

. (56.1)

Одночасно тойсамийпотік наводить у вторинній обмотці ЕРС взаємоіндукції

. (56.2)

З формул (56.1) і (56.2) отримуємо

, (56.3)

де k – коефіцієнт трансформації; якщо k > 1 – трансформатор понижувальний, а якщо k < 1 – трансформатор підвищувальний.

Якщо вторинну обмотку трансформатора під’єднати до навантаження і знехтувати незначними втратами енергії на ньому, то можна вважати, що потужності в обох обмотках однакові: , звідки

. (56.4)

У випадку, коли враховуються втрати енергії у первинній і вторинній обмотках, то ККД трансформатора , як і будь-якої машини, визначається відношенням корисної потужності P ₂ до всієї підведеної потужності P ₁:

. (56.5)

У силових трансформаторах розсіювання енергії у первинній обмотці для холостого ходу становить 1 - 2 % підведеної енергії, а за умови номінального навантаження сучасні силові трансформатори мають ККД 97 - 98 %.

Інтерфейс програми

 

Втрати потужності в трансформаторі складаються з втрат у мідних провідниках обмоток, пов’язаних з їх нагріванням, а також втрат у сталі осердя, зумовлених гістерезисом (перемагніченням) і вихровими струмами в осерді. Останні втрати визначаються величиною і частотою зміни магнітного потоку і від навантаження не залежать.

Таблиця 56.1 – Варіанти завдань

№ варіанту
Відношення кількості витків	10:1	15:1	20:1	25:1	30:1	35:1
№ варіанту
Відношення кількості витків	45:1	50:1	55:1	60:1		65:1

Послідовність виконання