Материал к уроку по теме. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА Ловцова Анжелика Фёдоровна. АНО ОО "Русская Международная Школа" (г. Москва)
методическая разработка по физике (11 класс)

Материал к уроку по теме.

            НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА

Ловцова Анжелика Фёдоровна.

АНО ОО "Русская Международная Школа" (г. Москва)

Основными источниками электроэнергии являются электростанции. В настоящее время самыми востребованными и эффективными из них являются:

• гидроэлектростанции (ГЭС),
• тепловые электростанции (ТЭЦ),
• атомные электростанции (АЭС).

Но так же для производства электроэнергии используются и геотермальные, ветровые, солнечные электростанции. В последнее время их популярность растет с каждым годом, так как эти электростанции более экологичны и безопасны для природы и человека.

Для того чтобы передать электроэнергию от электростанции к потребителю она должна пройти длинный путь через большое количество устройств.  Каких устройств и для чего они нужны, мы сейчас разберемся.

Важнейшая проблема передачи электроэнергии состоит в том, что при передаче ее на большие расстояния возникают большие потери мощности тока. Основная причина этих потерь это сопротивления в проводниках, по которым передается электричество.Отсюда возникает вопрос, как снизить сопротивление в проводах?

Чтобы снизить сопротивление в проводах необходимо увеличить их площадь поперечного сечение. Но учитывая длину, на которую нужно передать электроэнергию, очевидно, что это невыгодно. Есть еще один способ, чтобы передать ту же мощность по проводам, можно уменьшить силу тока протекающего по проводам увеличив напряжение.

Этот процесс  можно сравнить с водопроводной трубой, где вода это электрический ток, труба это проводник, объем воды протекающий через трубу это мощность, давление воды это напряжение.

Теперь все понятно, увеличивать диаметр трубы, чтобы поступало больше воды не выгодно из-за большого расстояния, нужно увеличить давление напряжение, чтобы через тот же диаметр трубы протекало больше воды. Правда придётся увеличить и толщину трубы, чтобы ее не порвало, в электрике это будет увеличение толщины изоляторов, чтобы не было пробоя. Но все равно это выгодней!

Для того чтобы повысить напряжение на электростанциях используются повышающие трансформаторы. От электростанции высокое напряжение передается по линиям электропередач (ЛЭП). Напряжение в ЛЭП зависит от длины, на которую нужно передать электроэнергию.

Чем дальше от электростанции находятся потребители, тем выше должно быть напряжение в линии электропередач, для того чтобы избежать потерь. Величина напряжения в зависимости от длины линии может быть. Самая высоковольтная ЛЭП в мире находится в России, ее напряжение 1150кВ.

• Сверхдальние ЛЭП напряжением от 500кВ, 750кВ, 1150кВ.
• Магистральные ЛЭП напряжением 220кВ, 330кВ.
• Распределительные ЛЭП напряжением 35кВ, 110кВ, 150кВ.

Высокое напряжение от электростанций по ЛЭП приходит на центральные распределительные подстанции (ЦРП) которые находятся непосредственно в городах или близко к ним. Там происходит понижение напряжения, если это необходимо и распределение электроэнергии по линиям более низкого напряжения 220,110кВ. Эти линии питают подстанции соответственно 110,220кВ, которые распределены по районам города, как правило, это несколько подстанций на район.

На подстанциях 110,220кВ напряжение понижается до 6,10кВ и распределяется по трансформаторным пунктам (ТП) через кабельные линии которые проложены в земле. Один трансформаторный пункт (ТП) может питать несколько многоэтажных жилых домов. В среднем это 2, 3 или 4 в зависимости от этажности жилых дома на одну ТП.

Приходящее на ТП напряжение 6 либо 10кВ снова понижается уже до всем нам привычного 0.4кВ (220, 380В). С ТП напряжение 380В по кабельным линиям подается на жилые дома. От щитовых жилых домов, электроэнергия расходится по кабельным линиям в этажные щиты, а от этажных щитов подается в наши квартиры.  

https://yandex.ru/video/preview/15584340111598232121

1. Назначение и устройство трансформаторов
2. Принципы и режимы работы
3. Виды, маркировка и применение трансформаторов
4. Обозначения на электрических схемах

1. Назначение и устройство трансформаторов

        Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает).

        Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.

        Магнитопровод

        Магнитопровод представляет собой пластины из электротехнической стали, которые концентрируют в себе магнитное поле трансформатора. Полностью собранная система с деталями, скрепляющими трансформатор в единое целое – это остов трансформатора. Та часть магнитопровода, на которой крепятся обмотки, называется стержнем трансформатора. Часть магнитопровода, которая не несет на себе обмотку и замыкает магнитную цепь, называется ярмом.

        Обмотка

        В силовых трансформаторах обмотка обычно состоит из проводников, имеющих квадратное сечение. Такой проводник по-другому еще называется жилой. Проводник квадратного сечения используется для того, чтобы более эффективно использовать пространство внутри сердечника. В качестве изоляции каждой жилы может использоваться либо бумага, либо эмалевый лак. Две жилы могут быть соединены между собой, и иметь одну изоляцию – такая конструкция называется кабелем.

        Обмотки бывают следующих типов: основные, регулирующие и вспомогательные. Основной называется обмотка, к которой подводится или от которой отводится ток (первичная и вторичная обмотка). Обмотка с выводами для регулирования коэффициента трансформации напряжения называется регулирующей.

        Системы охлаждения

        В обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

        В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

2. Принципы и режимы работы

        Действие трансформатора основано на законе Фарадея (законе электромагнитной индукции).

Трансформатор работает на двух базовых принципах

• Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм);
• Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция).

        Существуют три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим.

        Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС (трансформатор в режиме активной нагрузки).

        Если вторичная обмотка не находится под нагрузкой, то такой режим работы трансформатора называется режимом холостого хода.

        В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора. Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.

        Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

К>1 трансформатор понижающий,

К<1 - трансформатор повышающий

        Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

3. Виды, маркировка  и применение трансформаторов

        Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов  и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

        Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП. Непосредственно перед тем, как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор, и мы получаем привычные 220 Вольт.

        Трансформаторы можно классифицировать:

По признаку функционального назначения

-трансформаторы питания

-трансформаторы согласования

Рассмотрим ТРАНСФОРМАТОРЫ ПИТАНИЯ, их можно классифицировать

1. По напряжению:

-низковольтные

-высоковольтные

-высокопотенциальные

2. В зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения

-однофазные

-трёхфазные

3. В зависимости от числа обмоток

-двухобмоточные

-многообмоточные

4. В зависимости от конфигурации магнитопровода

-стержневые

-броневые

-тороидальные

5. В зависимости от мощности

-малой мощности

-средней мощности

-большой мощности

6. В зависимости от способа изготовления магнитопровода

-пластинчатые

-ленточные

7. В зависимости от коэффициента трансформации:

-повышающие

-понижающие

8. В зависимости от вида связи между обмотками:

-с электромагнитной связью (с изолированными обмотками)

-с электромагнитной и электрической связью(со связанными обмотками)

9. В зависимости от конструкции обмотки:

-катушечные

-галетные

-тороидальные

10. В зависимости от конструкции всего трансформатора

-открытые

-капсулированные

-закрытые

11. В зависимости от назначения:

-выпрямительные

-накальные

-анодно-накальные и т.д.

12. В зависимости от рабочей частоты трансформаторы делят на трансформаторы:

-пониженной частоты (менее 50 Гц)

-промышленной частоты (50 Гц)

-повышенной промышленной частоты (400, 1000, 2000 Гц)

-повышенной частоты (до 10000 Гц)

         В электрических сетях населенных пунктов, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые, основной задачей которых является понижение напряжения в сети до общепринятого – 220 В.        К силовым трансформаторам относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью 6,3 кВ*А и более, однофазные мощностью 5 кВ*А и более

        Если трансформатор предназначен для регулировки тока, он называется трансформатор тока.

        Если устройство регулирует напряжение – то это трансформатор напряжения.

         В обычных сетях применяются однофазные трансформаторы, в сетях на три провода (фаза, ноль, заземление) нужен трехфазный трансформатор.

        Бытовой трансформатор, 220В предназначается для защиты бытовой техники от перепадов напряжения.

        Сварочный трансформатор предназначен для разделения сварочной и силовой сети, для понижения напряжения в сети до нужной для сварки величины.

        Масляный трансформатор предназначается для использования в сетях с напряжением выше 6 000 Вольт.

        Сигнальный трансформатор - трансформатор малой мощности, предназначенный для передачи, преобразования, запоминания электрических сигналов.

        Автотрансформатор — трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что имеют общую часть.

        Импульсный сигнальный трансформатор - сигнальный трансформатор, предназначенный для передачи, формирования, преобразования и запоминания импульсных сигналов.

        Повышающий трансформатор - трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения.

        Понижающий трансформатор — трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения.

        Маркировка трансформаторов

         Каждый трансформатор снабжен щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другим способом, обеспечивающим долговечность знаков. На щитке трансформатора согласно ГОСТ 11677-65 указаны следующие данные:

1. Марка завода-изготовителя.

2. Год выпуска.

3. Заводской номер.

4. Обозначение типа.

5. Номер стандарта, которому соответствует изготовленный трансформатор.

6. Номинальная мощность. (Для трехобмоточных трансформаторов указывают мощность каждой обмотки).

7. Номинальные напряжения и напряжения ответвлений обмоток.

8. Номинальные токи каждой обмотки.

9. Число фаз.

10. Частота тока.

11. Схема и группа соединения обмоток трансформатора.

12. Напряжение короткого замыкания.

13. Род установки (внутренняя или наружная).

14. Способ охлаждения.

15. Полная масса трансформатора.

16. Масса масла.

17. Масса активной части.

18. Положения переключателя, обозначенные на его приводе.

         Для трансформатора с искусственным воздушным охлаждением дополнительно указана мощность его при отключенном охлаждении. Заводской номер трансформатора выбит также на баке под щитком, на крышке около ввода ВН фазы А и на левом конце верхней полки ярмовой балки магнитопровода.

        Условное обозначение трансформатора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают следующее: Т - трехфазный трансформатор, О – однофазный, М – естественное масляное охлаждение, Д – масляное охлаждение с дутьем (искусственное воздушное и с естественной циркуляцией масла), Ц – масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель, ДЦ – масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла, Г – грозоупорный трансформатор, Н – в конце обозначения – трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой, Н – на втором месте – заполненный негорючим жидким диэлектриком, Т на третьем месте – трехобмоточный трансформатор.

        Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансформатора, показывает номинальную мощность (кВ·А), второе число – номинальное напряжение обмотки ВН (кВ·А). Так, тип ТМ 6300/35 означает трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением мощностью 6300 кВ·А и напряжением обмотки ВН 35 кВ·А; тип ТЦТНГ-6300/220 означает трехфазный трехобмоточный трансформатор с принудительной циркуляцией масла при масло-водяном охлаждении, с регулированием напряжения под нагрузкой, грозоупорный, мощностью 63000 кВ·А и напряжением обмотки ВН 220 кВ.

        Буква А в обозначении типа трансформатора означает автотрансформатор. В обозначении трехобмоточных автотрансформаторов букву А ставят либо первой, либо последней. Если автотрансформаторная схема является основной (обмотки ВН и СН образуют автотрансформатор, а обмотка НН дополнительная). Букву А ставят первой, если трансформаторная схема является дополнительной, букву А ставят последней.

4. Обозначения на электрических схемах

Обозначается на принципиальных схемах трансформатор так:

        У трехфазных трансформаторов обмотки соединяются н в звезду, треугольник и звезду с выведенной нейтралью. На следующем рисунке приведена как пример одна из схем соединения обмоток высокого напряжении и низкого напряжения трехфазного трансформатора:

        На этом рисунке изображен трансформатор с несколькими вторичными обмотками:

Список литературы.

• 1. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. Под ред. С.С. Рокотяна и И.М, Шапиро. М.: Энергоатомиздат, 1985 - 352с.
• Справочник по проектированию электрических сетей / Под редакцией Д. Л. Файбисовича. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС 2006 -320 с. ил.
• Идельчик В. И. И 29 Электрические системы и сети: Учебник для ву зов.— М.: Энергоатомиздат, 1989, — 592 с: ил. ISBN 5-283-01012-0.

https://elektrikvolt.blogspot.com/2013/04/blog-post_5171.html

• Передача электроэнергии. Путь от электростанции к потребителю. Сокращ
• Электрические системы. Электрические сети: Учебник для электроэнергетических специализированных вузов / В. А. Веников, А. А. Глазунов, Л. А. Жуков и др.: Под редакцией В. А. Веникова, В. А. Строева. – 2-ое изд., пеработанное и дополненное. – М.: Высш. шк., 1998. – 511 с.: ил.
• Электрические системы. Передача энергии переменным и постоянным током высо-кого напряжения./ Под ред. В.А. Веникова. - М.: ВШ, 1971, т.3, 368с
• Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие. – Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006. -720с. (Серия «Высшее образование»).
• Ананичева С. С. Проектирование электрических сетей : учебное пособие : Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки бакалавриата 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» / С. С. Ананичева, Е. Н. Котова ; научный редактор С. Н. Шелюг ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. — Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2017. — 164 с. — ISBN 978-5-7996-2040-0.
• Ананичева, С. С. Анализ электроэнергетических сетей и систем в примерах и задачах : учебное пособие / С. С. Ананичева, С. Н. Шелюг ; научный редактор Е. Н. Котова ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Уральский федеральный университет. — Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2016. – 176 с. – ISBN 978-5-7996-1784-4.
• Ананичева С. С. Электроэнергетические системы и сети : учебное пособие : Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника / С. С. Ананичева, С. Н. Шелюг ; научный редактор П. И. Бартоломей ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. — Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2019. — 296 с. — ISBN 978-5-7996-2638-9.
• Веников, В. А. Теория подобия и моделирования : применительно к задачам электроэнергетики : учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности "Кибернетика электрических систем" / В. А. Веников, Г. В. Веников. - Изд. 4-е. - Москва : URSS, Москва : ЛИБРОКОМ, 2014. - 439 с. : ил.