Методическая разработка урока "Трансформаторы"
методическая разработка на тему

Тип пособия: методическая разработка учебного занятия  по  дисциплине «Электротехника и электроника»

Автор:  Жиналинова Ирма Гаязовна, преподаватель государственного автономного профессионального образовательного учреждения Учалинский колледж горной промышленности

Данная методическая разработка предназначена для  преподавателей  дисциплин  общепрофессионального цикла по специальности 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), а также  для  мастеров производственного обучения по профессии НПО 13.01.10  Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования (по отраслям)

Аннотация

Данная методическая разработка предназначена для проведения учебного занятия по дисциплине: «Электротехника и электроника», по теме «Режимы работы трансформаторов». Методическая разработка урока составлена в соответствии с Федеральным  государственным образовательным стандартом  среднего профессионального образования по специальности  13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), для студентов обучающихся по очной и заочной формам обучения в ГАПОУ Учалинский колледж горной промышленности. В методической разработке рассматриваются понятия, устройство, принцип  работы трансформатора, режимы работы и виды трансформаторов. Рассматривается применение трансформаторов  на горных предприятиях.

Данная методическая разработка предназначена для  преподавателей  дисциплин общепрофессионального цикла по специальности 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), а также  для  мастеров производственного обучения по профессии НПО 13.01.10 Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования (по отраслям)

Содержание

Введение        5

Основная часть        7

Тема: «Режимы работы трансформаторов»        7

Цели урока        7

Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы        8

Оборудование        8

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА        9

Содержание занятия:        15

1.        Организационный этап урока.        15

2.        Этап проверки домашнего задания и остаточных знаний по изучаемой теме        15

3.        Подготовка студентов к активному сознательному усвоению знаний        16

4.        Этап освоения новых знаний        16

       5.    Этап выполнения практического задания ……………………………      

6.        Этап закрепления новых знаний        18

7.        Этап информации о домашнем задании и инструктаж по его выполнению        20

8. Этап подведения итогов занятий        20

Список использованных источников        22

                                                           Истина - это то, что выдерживает проверку опытом. А.Эйнштейн

Тема: Режимы работы трансформаторов

Введение

С введением в образовательный процесс ФГОС 3-го поколения все большее значение приобретает практическая направленность обучения. Одной из важнейших задач в обучении становится переход от теоретических знаний к практическим навыкам. На данном уроке использован фрагмент лабораторной работы « Исследование однофазного трансформатора», позволяющий сформировать  профессиональные компетенции по расчету и  выбору  параметров электрических машин. Автор считает, что такой подход, во-первых, способствует более прочному усвоению материала, во-вторых, повышению интереса студентов к изучению данного предмета.

Данный урок способствует формированию общих и профессиональных компетенций выпускников, обеспечивает реализацию  федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования, государственных требований к уровню подготовки выпускников по специальности Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям).

Учебный предмет – Электротехника и электроника.

Специальность: 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям).

Раздел программы: Электротехника.

Место урока в изучении раздела: шестой урок. Данной теме предшествовало изучение следующих вопросов: устройство трансформаторов, принцип действия однофазного и трехфазного трансформаторов; студенты получили первичные представления о  видах трансформаторов и их  применении на горном предприятии  ОАО «Учалинский ГОК», научились выполнять расчет основных параметров трансформаторов.

Форма учебной работы – классно-урочная.

Продолжительность урока: 90 минут.

Технологические особенности: 

Дидактическое оснащение урока и ТСО:

• персональный компьютер преподавателя;
• проектор;
• проекционный экран;
• видеофрагменты: «Трансформатор», «Режимы работы трансформаторов»;
• рабочие тетради студентов;
• учебно-лабораторное оборудование;
• учебная презентация «Режимы работы трансформатора»

На доске: дата, тема урока, домашнее задание.

Основные понятия: трансформатор, рабочий режим, режим холостого хода, режим короткого замыкания, кпд трансформатора, потери в трансформаторе.

Тип урока: комбинированный.

Формы обучения: индивидуальная, групповая, фронтальная

Методы обучения: наглядно-практический, эвристический, объяснительно-иллюстративный, проблемный.

Приобретаемые навыки студентов: применение знаний об устройстве, принципе работы трансформатора при выполнении практического задания на учебно-лабораторном оборудовании, расчете основных параметров трансформатора, развитие способностей алгоритмически мыслить, совершенствование умений работать самостоятельно.

Формы организации работы студентов: индивидуальная, самостоятельная и групповая работа.

Урок по теме «Режимы работы трансформаторов» осуществляет, в первую очередь, задачу осмысленного  и свободного применения уже изученных знаний при расчете и выборе электротехнических устройств, самостоятельного и творческого подхода к выполнению практических заданий, проявления потребности к моделированию и проектированию электротехнических устройств для производственной и других сфер деятельности человека.

При подготовке и проведении урока преподаватель ставил своей целью вовлечение каждого студента в активный познавательный процесс, причём в процесс не пассивного овладения знаниями, а активной познавательной деятельности и чёткого осознания

Содержание урока соответствует образовательной программе и используется для обогащения субъективного опыта студентов. В ходе проведения урока используются разные методы обучения, как эвристический, объяснительно-иллюстративный, проблемный, рассказ, беседа, исследование.

На данном уроке преподаватель применяет исследовательские формы работы: студенты  самостоятельно проводят исследование режимов работы однофазного трансформатора, обобщают результаты, формулируют выводы по работе и готовятся к защите лабораторной работы.

Основной лекционный материал представлен по тексту  с целью возможности его использования для отдельного урока или фрагмента урока….

           Конспект занятия может быть использован преподавателями общепрофессиональных и специальных дисциплин; для проведения занятий по теме: «Трансформаторы. Режимы работы трансформаторов».

Основная часть

Дисциплина: Электротехника и электроника

Раздел: Электротехника

Тема: «Режимы работы трансформаторов»

Специальность: Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)

Группа:    ГЭМ-15Д

Тип урока: комбинированный урок.

Количество часов:  2

Цели урока

1. Дидактические (обучающие) цели:

• изучить режимы работы трансформаторов;
• уметь объяснить режим холостого хода, режим нагрузки и режим короткого замыкания трансформатора;
• уметь объяснить причину возникновения потерь в трансформаторе, показатели, влияющие на кпд трансформатора;
• подвести студентов к выполнению самостоятельной лаборатороной работы по исследованию режимов работы трансформаторов.

Задачи:

• студент должен продемонстрировать уровень осмысленного воспроизведения и свободного применения уже изученных знаний;
• на уровне осмысленного воспроизведения студент должен знать: а) понятие трансформатора; б) устройство трансформатора; в) принцип работы трансформатора;
• студент должен уметь самостоятельно выполнять практические задания на учебно-лабораторном оборудовании: а) выполнять сборку схем; б) снятие показаний измерительных приборов; в) обработка полученных результатов и их обобщение; в) построение схем, диаграмм, характеристик

2. Развивающие цели:

• развивать умение анализировать и обобщать полученные данные;
• развивать творческое отношение к изучаемому материалу;
• способствовать развитию логического мышления.
• развивать технические умения по сборке электрических схем и  обработке полученных результатов.

Задачи:

• студент должен демонстрировать логический и аналитический поиск при  работе с учебно-лабораторным оборудованием;
• должен творчески подходить к обработке полученных результатов, уметь самостоятельно делать выводы.

3. Воспитательные цели:

• формировать потребность в  систематическом самообразовании, в изучении  графических и расчетных  компьютерных программ,  устройства и принципа действия современного электрического оборудования, применяемого на горных предприятиях.

Задачи:

• студент должен проявлять потребность  в информационной культуре;
• студент должен проявлять интерес к работе с оборудованием, компьютерными программами.

Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы

1. Что такое трансформатор?
2. Назовите устройство трансформатора.
3. Назовите  виды трансформаторов.
4. На чем основан принцип работы трансформатора?
5. Объясните  принцип работы  трансформатора.
6. Укажите область применения трансформаторов.

Оборудование:

•  учебный класс  (30 ученических мест и 1 – преподавательское);
• учебно-лабораторное оборудование «Исследование однофазного трансформатора» - 10 стендов;
• комплект папок с краткими теоретическими конспектами лекции и инструктивными картами лабораторной работы;
• учебные фильмы: «Трансформатор»; «Режимы работы трансформатора», « Виды трансформаторов».
• персональный компьютер преподавателя.
• проектор.
• проекционный экран
• учебная презентация «Режимы работы трансформаторов»

Внутрипредметные и межпредметные связи:  физика, электрические машины, электрические измерения

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА

Содержание занятия:

1. Организационный этап урока.

Вступительное слово преподавателя. Добрый день, уважаемые студенты, сегодня мы продолжаем изучение темы «Трансформаторы», рассмотрим основные режимы работы трансформаторов. Для начала необходимо вспомнить материал прошлого занятия и проверить выполнение домашнего задания. И соответственно пройдем новую тему, в которой разберем с вами вопросы,  связанные с режимами работы трансформатора: режим нагрузки, режим холостого хода, режим короткого замыкания.

2. Этап проверки домашнего задания и остаточных знаний по изучаемой теме.

1. Актуализация опорных знаний путем опроса.

Вопросы, которые можно задать студентам при актуализации темы:

• Что такое трансформатор?  (Ожидаемый ответ: статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты).
• Какие виды трансформаторов вы можете назвать? Дайте им краткую характеристику. (Ожидаемый ответ: силовой трансформатор  - предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках; автотрансформатор - вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов, подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Трансформаторы тока  - трансформатор, предназначенный для снижения первичного тока до величины используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации; трансформатор напряжения - трансформатор, предназначенный для преобразования высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях релейной защиты и автоматики; импульсный трансформатор - трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов; разделительный трансформатор - трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана с вторичными обмотками, предназначен для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаний к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции).
• На каком явлении основан принцип работы трансформатора? (Ожидаемый ответ: на явлении электромагнитной индукции).
• Устройство трансформатора? (Ожидаемый ответ: Состоит  из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник)
• Как классифицируют трансформаторы по типу магнитопровода? (Ожидаемый ответ: стержневые, броневые, тороидальные).
• Что такое коэффициент трансформации? (Ожидаемый ответ: коэффициент трансформации определяется  соотношением числа витков

первичной и вторичной обмоток)

Основными вопросами для повторения являются вопросы, связанные с устройством и принципом работы трансформатора. Ответы на вопросы сопровождаются показом презентации по материалу прошлого занятия. (Приложение 1)

2. Проверка выполнения домашнего задания.

Просмотр презентаций по теме: «История появления первых трансформаторов», «Виды трансформаторов», «Устройство и принцип работы трансформатора», выполненных студентами дома. (Приложение 2)

Преподаватель анализирует работы студентов  и ответы на вопросы.

3. Подготовка студентов к активному сознательному усвоению знаний

После того, как был повторен материала, необходимо  напомнить студентам цель занятия.

Преподаватель: Сегодня на уроке мы продолжаем изучение трансформаторов и рассмотрим  режимы работы трансформаторов

4. Этап освоения новых знаний

1. Вводится понятие режимов работы трансформатора. Объясняются режимы нагрузки, холостого хода, короткого замыкания. Показ видеофрагмента (Приложение 3)
2. Даются понятия потерь в трансформаторе.
3. Рассматривается понятие коэффициента полезного действия трансформатора.

Приведем краткий конспект лекционного материала (Приложение 4).

Краткий конспект лекционного материала.

Режим холостого хода 

В этом режиме вторичная обмотка разомкнута. Переключатель находится в положении 1. Ток,  потребляемый первичной цепью, минимален и называется током холостого хода. Магнитное поле вокруг первичной обмотки называется магнитным полем холостого хода. Этот режим безвреден для трансформатора.

Рис.1 -  Режимы работы трансформатора

     Режим нагрузки 

Включим переключатель в положение 2, при этом трансформатор из режима холостого хода переходит в режим нагрузки. По вторичной обмотке протекает ток I2, магнитный поток которого согласно закону Ленца направлен против магнитного поля первичной обмотки Φ. В результате этого магнитный поток Φ в первый момент уменьшается, что вызывает уменьшение э. д. с. самоиндукции Е1 в первичной обмотке трансформатора. Поскольку приложенное напряжение U1 (сети, генератора) при этом остается неизменным, то электрическое равновесие между напряжением и э. д. с. самоиндукции нарушается и происходит увеличение тока в первичной обмотке. Увеличение тока приводит к увеличению магнитного потока, что в свою очередь вызывает увеличение э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится электрическое равновесие между приложенным напряжением и э. д. с. самоиндукции. Но при этом ток первичной обмотки будет больше, чем при холостом ходе, т. е. суммарный магнитный поток первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, т. е. при появлении вторичного тока, первичный ток возрастает, во вторичной обмотке создается падение напряжения и вторичное напряжение уменьшается. При уменьшении нагрузки, т. е. при уменьшении вторичного тока, размагничивающее действие вторичной обмотки уменьшается, магнитный поток в сердечнике в первый момент возрастает и соответственно возрастает э. д. с. самоиндукции Е1. Электрическое равновесие между U1 и Е1 нарушается, ток в первичной обмотке уменьшается, При этом происходит уменьшение магнитного потока и э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится временно нарушенное электрическое равновесие между U1 и Е1, но при меньшем токе I1.

Итак, уменьшение тока I2 приводит к уменьшению тока I1, падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора уменьшается и вторичное напряжение  возрастает.

    Режим короткого замыкания 

Включим переключатель в положение 4. Сопротивление вторичной цепи практически будет равным нулю. Ток вторичной цепи будет максимальным, магнитное поле вторичной обмотки будет максимальным. Магнитное поле первичной обмотки уменьшится и станет минимальным, следовательно и индуктивное сопротивление первичной обмотки станет минимальным. Ток, потребляемый первичной цепью возрастет до максимума. Такой режим называется режимом короткого замыкания. Этот режим опасен для трансформатора и всей цепи. Для защиты от КЗ устанавливают предохранители в первичной или во вторичной цепи.

Мощность,  развиваемая в первичной цепи равна произведению U1·I1,  во вторичной цепи U2·I2. Трансформатор выигрыша в мощности не дает так как всякое увеличение напряжения с помощью трансформатора сопровождается соответствующим уменьшением тока, т. е. во сколько раз трансформатор увеличит напряжение, во столько раз он уменьшит величину тока во вторичной цепи. В понижающем трансформаторе во сколько раз трансформатор уменьшит напряжение,  во столько раз увеличит величину тока во вторичной цепи.

К. п. д. трансформатора это отношение вторичной мощности P2 к первичной P1 (полезной мощности к потребляемой) выраженной в %.

η = Р2/Р1·100% 

Например к. п. д. трансформатора 95% это значит что 95% энергии полученной первичной обмоткой от источника тока переходит во вторичную обмотку и 5% теряется в трансформаторе на активном сопротивлении трансформатора. Наличие потерь приводит к тому, что мощность, выделяемая в нагрузке вторичной обмотки трансформатора, всегда меньше мощности, которую потребляет первичная обмотка.

Потери энергии в трансформаторе состоят из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. К потерям в сердечнике относятся потери на магнитный гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в обмотках обусловлены обычным нагревом обмоток током.

6. Этап выполнения практического задания

Преподаватель: Сегодня на уроке для закрепления полученных знаний

проведем лабораторные исследования по режимам работы трансформатора. Вам было дано задание изучить инструктивную карту лабораторной работы «Исследование однофазного трансформатора», рассмотреть правила безопасной работы с оборудованием и подготовить таблицы для обработки результатов. При выполнении исследований основных режимов   показания приборов фиксируются в таблицах, расчеты   необходимо будет выполнить дома и подготовить отчет по работе к следующему занятию:

Порядок выполнения работы

1. Познакомиться с устройством трансформатора и записать его технические данные.

2. Собрать электрическую схему  (рис.1).

 Рис.1. Схема исследования трансформатора

3. Выполнить опыт холостого хода трансформатора. Для этого отключить все лампы, подать питание на схему и автотрансформатором установить напряжение на первичной обмотке 220 В. Показание всех приборов записать в таблицу 1.

                                                                                                               Таблица 1

Опыт холостого хода

     4. Исследовать работу трансформатора в рабочем режиме при активной нагрузке. Для этого установить напряжение на первичной обмотке трансформатора 220 В. Включением ламп довести нагрузку до номинальной и выполнить 5-6 измерений, записывая показания в таблицу 2.

                                                                                                              Таблица 2

Рабочий режим трансформатора

     5. Выполнить опыт короткого замыкания. Для этого обесточить систему, зажимы лампы замкнуть накоротко, заменить вольтметр V1 на вольтметр с пределом 15 В, автотрансформатор поставить в положение, когда напряжение равно нулю. Включить питание и плавным увеличением напряжения установить в первичной обмотке номинальный ток. Показания всех приборов записать в таблицу 3.

                                                                                                                 Таблица 3

Режим короткого замыкания

     8. На основании лабораторных опытов и исследований выполнить расчеты,  сделать выводы по работе. Ответить на контрольные вопросы.

       Преподаватель распределяет студентов по группам по 2-3  человека для выполнения лабораторной работы. Рабочие места приготовлены заранее. Студенты приступают к выполнению работы

  Инструктивная карта лабораторной работы прилагается. (Приложение 5)

7.  Этап закрепления новых знаний

Преподаватель организует деятельность студентов по воспроизведению существенных признаков изученных познавательных объектов.

1. Какие процессы происходят в трансформаторе при холостом ходе?
2. Чем характеризуется рабочий режим трансформатора?
3. Когда возникает режим короткого замыкания трансформатора?
4. Чем опасен режим короткого замыкания трансформатора?
5. Что показывает  КПД  трансформатора?
6. Какие потери возникают в трансформаторе и почему?

8. Этап информации о домашнем задании и инструктаж по его выполнению

Домашнее задание:

1. Прочитать по учебнику Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники, глава 7 «Трансформаторы», § 7.1-7.4
2. Выполнить расчеты по лабораторной работе (формулы представлены в инструктивной карте лабораторной работы), сделать выводы по работе, ответить на контрольные вопросы. Оформить отчет по лабораторной работе и подготовиться к ее защите.

9. Этап подведения итогов занятий

Преподаватель: Что мы изучили на данном уроке?

(Ожидаемые ответы студентов: Мы изучили режимы работы трансформатора;  исследовали работу трансформатора  в режимах  нагрузки, холостого хода, короткого замыкания; изучили  понятие коэффициента полезного действия, рассмотрели вследствие чего возникают потери в трансформаторе).

Рефлексия (преподаватель): Понятен ли материал урока в целом? Получили ли вы «новое»  в  работе трансформатора? Понятны ли режимы работы трансформатора? Усвоен ли порядок выполнения расчетов по лабораторной работе?

На данном этапе  аргументировано проставляются оценки за урок.

Список использованных источников

1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники, 6 изд., - М.: «Высшая школа», 2005
2. Иванов И.И. Электротехника. Основные положения, примеры и задачи, 2 изд., СПб.:  Изд. «Лань», 2002
3. Нефедова Н.В Карманный справочник по электронике и электротехнике 3 изд., Ростов-на-Дону.: Изд. «Феникс», 2008
4. Частоедов Л.А. Электротехника. – М.: «Высшая школа», 1989
5. Березкина Т.Ф. Задачник по общей электротехнике с основами электроники 4 изд., - М.: «Высшая школа», 2001
6. Электротехника и электроника  в экспериментах  и  упражнениях: Практикум на Electronics  Workbench:  В 2-х  томах /Под общей редакцией  Д.И.Панфилова. М.: ДОДЭКА,2000
7. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. Учебник, 7 изд., - М.: «Высшая школа», 2002
8. Фарнасов Г.А. Электротехника, электроника, электрооборудование. – М.: «Интермет Инжиниринг», 2000
9. «Школа для электрика» - образовательный сайт http://electricalschool.info/
10. Видеоуроки    по  электрике http://trigada.ucoz.com/load/videouroki_po_ehlektrike/4
11. http://www.elektroceh.ru/

Приложение 1

Презентация по теме: «Трансформатор. Устройство, принцип действия, виды» (представлена  отдельным файлом).

Приложение 2

Презентации студентов по темам: «История появления первых трансформаторов», «Виды трансформаторов, применяемых на горных предприятиях» (представлена  отдельным файлом).

Приложение 3

Видеоролик «Как работает трансформатор»

Приложение 4

Презентация по теме: «Режимы работы трансформатора» (представлена отдельным файлом).

Приложение 5

Инструктивная карта лабораторной работы «Исследование однофазного трансформатора» (представлена  отдельным файлом).