«Преобразование переменного тока. Трансформатор». 11 класс

«Преобразование переменного тока. Трансформатор». 11 класс

Цель урока:

• изучить принципы производства, передачи и преобразования электрической энергии;

• изучить устройство и принцип действия трансформатора.

Задачи урока:

Образовательная:

• создать условия для освоения обучающимися теоретического материала;

• продолжить формирование умения правильно работать с текстом, выделять главное.

Развивающая:

• продолжить развития памяти, внимания, слухового и зрительного восприятия, воображения;

• продолжить формирования УУД;

• опыт публичного выступления.

Воспитательная:

• продолжить формирования умения работать в составе группы,

Тип урока: урок овладения новыми знаниями

Вид урока: урок взаимообучения

Метод проведения урока: технология развития критического мышления через чтение и письмо (РКМЧП); стратегия «Верите ли Вы?»

Межпредметная связь: электротехника

План урока

Ход урока

1. Оргмомент

Жеребьевка. Выбор раздела темы, над которым работает группа, осуществляется по жребию. Каждая группа получает номер, соответствующий разделу темы:

1 Производство и передача электроэнергии

1. История создания трансформатора

2. Устройство трансформатора

3. Работа трансформатора

4. КПД трансформатора. Применение трансформаторов

2. Целевая подготовка

Тема урока определяется студентами самостоятельно в ходе ответа на вопрос: «Что общего у следующих объектов»?

• Фокусник, создающий оптическую иллюзию превращения одних предметов в другие

• Устройство, служащее для передачи и изменения крутящего момента от двигателя автомобиля к коробке передач

• Инопланетные разумные роботы, превращающиеся в машины, людей, животных и др.

• Актер, исполняющий попеременно роли нескольких действующих лиц, быстро изменяя внешность с помощью парика, грима, костюма

• Преобразователь переменного напряжения без изменения его частоты

Все перечисленные объекты объединяются латинским словом transformo, transformare, которое означает превращать, преобразовывать.

Тема занятия: «Преобразование переменного тока. Трансформатор»

1. Вызов

Каждая группа отвечает на вопросы, написанные на доске.

«Верим» - знак «+», «Не верим» -

Верите ли Вы, что

1. 80% электроэнергии в мире потребляет 20% населения Земли?

2. Первое место в мире по количеству электроэнергии, вырабатываемой на душу населения занимают США?

3. Наибольшее количество электроэнергии в мире вырабатывается гидроэлектростанциями, т.к. они являются самыми «экологически чистыми»?

4. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния нужно повышать напряжение?

5. Изобретателем трансформатора был М.Фарадей?

6. Трансформатор был изобретен в первой половине 19 века?

7. Трансформатор был изобретен в России?

8. Практическое использование переменного тока привело к изобретению трансформатора?

9. Название одной из деталей трансформатора происходит от слова «сердце»?

10. Катушки, входящие в состав трансформатора, электрически не соединены друг с другом?

11. Число витков в катушках трансформатора обязательно должно быть одинаковым?

12. Для охлаждения трансформатора используют воду?

13. Принцип действия трансформатора основан на открытии Фарадея?

14. В катушках трансформатора возникают э.д.с., которые определяются первой производной от магнитного потока по времени?

15. Если коэффициент трансформации к 1, то трансформатор понижает напряжение?

16. Если трансформатор понижает напряжение, то понижается и частота этого напряжения?

17. КПД трансформатора может достигать 99%?

18. Если трансформатор повышает напряжение, то сила тока при этом понижается?

19. На КПД трансформатора влияют вихревые (индукционные) токи?

20. Трансформаторы применяются в персональных компьютерах?

1. Осмысление содержания

Работа в группах по 5 - 6 человек.

Каждая группа работает с текстом по полученной в ходе жеребьевки теме.

1. Производство и передача электрической энергии

Объем производства электроэнергии в стране является одним из важнейших показателей уровня ее социально-экономического развития.

Развитые страны мира (20% населения Земли) потребляют 80% производимой в мире электроэнергии. Лидерами по объему производства электроэнергии являются США, Япония и Китай. Россия занимает 4-е место. При этом по объему производства электроэнергии на душу населения 1-е место в мире занимает Норвегия.

Электрическую энергию производят на электростанциях. В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции подразделяются на тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС). Существуют также приливные, ветровые, солнечные, геотермальные электростанции.

В топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) мира более 60% электроэнергии вырабатывается на ТЭС. Однако, КПД их невелик - до 40%. Они экологически несовершенны: загрязняют атмосферу продуктами сжигания топлива.

Наиболее высокий коэффициент полезного действия (80%) имеют ГЭС. Их доля в ТЭБ мира составляет около 20%. Они также отрицательно воздействуют на экологию: водохранилища, созданные перед плотинами равнинных ГЭС, затапливают огромные территории с полями, лесами, населенными пунктами; способствуют заболачиванию или засолению почв; негативно влияют на рыбный промысел; меняют естественный режим рек.

На АЭС вырабатывается 17% электроэнергии мира. Их КПД составляет 25 – 30% и после чернобыльской катастрофы к ним стали относиться весьма настороженно. Однако, в странах, не имеющих богатых запасов топливных полезных ископаемых, их роль велика. Если в России АЭС вырабатывают 10% всей электроэнергии, то во Франции – 77%.

Самыми экологически чистыми являются ветровые и солнечные электростанции, но их работа значительно зависит от погоды, а мощность пока мала.

Электростанции выгодно строить там, где есть дешевые источники энергии: запасы угля, торфа, нефти, водные потоки и т. д. От станции электроэнергию необходимо передать в места, где находятся потребители: населенные пункты, заводы, фабрики.

Передача электроэнергии осуществляется с помощью линий электропередачи (ЛЭП).

Электростанции вырабатывают ток большой мощности — сотни тысяч киловатт при напряжениях, не превышающих десятки киловольт.

Мощность тока определяется:

P = I U cos φ (*)

Эту мощность надо передать к потребителю так, чтобы ее потери на нагревание проводов ЛЭП были, по возможности, наименьшими. Тепловые потери мощности составляют:

Δ P = I² R

Сила тока, протекающего по проводам ЛЭП, из формулы (*) определится:

I = P / U cos φ ,

Подставим значениеI в формулу для Δ P, тогда

Δ P = P ² R / U² cos² φ

Из формулы следует, что уменьшить потери мощности можно за счет уменьшения сопротивления Rпроводов ЛЭП. Это требует увеличения площади поперечного сечения проводов (R=ρl /s), что экономически невыгодно, так как ведет к увеличению их массы, а это усложняет подвеску и удорожает ЛЭП.

Следовательно, нужно увеличивать напряжение, при котором передается мощность P, вырабатываемая электростанцией. Поэтому напряжение в ЛЭП составляет сотни киловольт.

Но потребитель не может использовать такое высокое напряжение. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции большинство электроприборов в наших домах рассчитаны на напряжение U=220B.

Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросетях многократно применяют трансформаторы

При передаче электроэнергии на электростанциях ставят повышающий трансформатор. Он увеличивает напряжение в линии электропередачи, и, какследствие, уменьшает тепловые потери мощности.

Непосредственно у потребителя (населенного пункта, фабрики, завода и т. д.) напряжение необходимо уменьшить. Это осуществляется с помощью понижающего трансформатора.

Чаще всего понижение напряжения происходит ступенчато. На каждой ступени напряжение становится все меньше. После понижения напряжения до 6 кВ ток под этим напряжением по подземным кабелям идет к местным (районным) трансформаторам. Они еще раз понижают напряжение от 6 кВ до 220В, и от районных трансформаторов ток идет в здания. Районные трансформаторы устанавливаются в специальных будках без окон. На двери будки написано: «Не входить. Опасно для жизни» и изображен специальный знак. Открывать эту будку разрешено только специалистам.

1. – генератор переменного тока;

2. – повышающие трансформаторы;

3. – линия электропередачи;

4,5,6,7 – понижающие трансформаторы

2. История создания трансформатора

Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов:

неметаллических, металлических и магнитных, создание их теории.

В 1831 году при проведении основополагающих исследований в области электричества английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора. Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри.

Однако ни тот, ни другой не отмечали в своѐм приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрѐл индукционную катушку. Она явилась прообразом трансформатора.

В 1876 году Яблочков Павел Николаевич создал первый трансформатор. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Павел Николаевич Яблочков родился в 1847 году в семье мелкопоместного дворянина. Электротехник, изобретатель и предприниматель. Получил образование военного инженера, окончив в 1866 году Николаевское инженерное училище. Стал сапером, но вскоре вышел в отставку. Отставной поручик увлекся электротехникой и стал работать над проблемами, связанными с применением электричества в военном и гражданском деле.

В 1873 году П.Н. Яблочков был назначен начальником телеграфной службы Московско-Курской железной дороги. Он организовал мастерскую, где проводил работы по электротехнике, которые легли в основу его изобретений в области электрического освещения, электрических машин, гальванических элементов и аккумуляторов. К 1875 году относится одно из главных изобретений П.Н.Яблочкова – электрическая свеча, первая модель дуговой лампы. Идея создать электрическое освещение увлекла Яблочкова настолько, что он бросает работу и на свои скромные сбережения открывает в Москве лабораторию, где проводит работы по электротехнике.

В октябре 1875 года Яблочков уезжает за границу с целью показать в США на всемирной выставке в Филадельфии свои изобретения и достижения русской электротехники, а заодно ознакомиться с постановкой электротехники в других странах. Осенью 1875 года Павел Николаевич в силу сложившихся обстоятельств оказался в Париже. Здесь он заинтересовался мастерскими физических приборов академика Л. Бреге, с аппаратами которого был знаком ещѐ по работе в бытность начальником телеграфа в Москве. Л. Бреге принял русского инженера весьма любезно и предложил ему место в своей фирме.

В годы пребывания во Франции Павел Николаевич работал не только над изобретением и усовершенствованием электрической свечи, но и над решением других практических задач. Только за первые полтора года — с марта 1876 по октябрь 1877 — он подарил человечеству ряд других выдающихся изобретений и открытий.

П. Н. Яблочков сконструировал первый генератор переменного тока, первым применил переменный ток для промышленных целей, создал трансформатор переменного тока.

Дата получения патента 30 ноября 1876 года считается датой рождения первого трансформатора. Яблочков первый в мире создал систему «дробления» электрического света, то есть питания большого числа свечей от одного генератора тока, основанную на применении переменного тока, трансформаторов и конденсаторов.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон.

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току.

Переменный ток обладает рядом преимуществ по сравнению с постоянным:

1. Переменный ток сравнительно легко позволяет увеличивать, а потом уменьшать напряжение

2. Достаточно просто изменять частоту тока, что позволяет плавно регулировать скорость вращения валов электродвигателей

3. Генераторы и двигатели переменного тока по сравнению с машинами такого же назначения и мощности постоянного тока проще по устройству, дешевле и надежнее.

Спор между сторонниками и противниками переменного тока продолжался до 1891 года. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил трѐхфазную систему переменного тока, обладающую целым рядом преимуществ, построил первый трѐхфазный асинхронный двигатель и первый трѐхфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский успешно продемонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трѐхфазного тока на расстояние175 км. Трѐхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В.

1. Устройство трансформатора

Основные части конструкции трансформатора: обмотки;

магнитная система (магнитопровод); система охлаждения

Обмотка – это совокупность витков, образующих катушку. Проводник обмотки может иметь квадратную форму сечения для наиболее эффективного использования имеющегося пространства.

Катушек может быть две или более. Они электрически изолированы друг от друга. Число витков катушек разное.

К одной обмотке – первичной – подводится преобразуемое напряжение U₁ , а с другой - вторичной – снимается преобразованное напряжение U₂ . Ко вторичной обмотке присоединяют приемники электрической энергии R_{н .}

Для того, чтобы магнитное поле не рассеивалось в пространстве, катушки надевают на магнитопровод, выполненный из специальной трансформаторной стали. Магнитопровод трансформатора называют сердечником. Сердечник трансформатора замкнут. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи, возникающие в сплошных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, сердечник собирают из тонких листов стали, изолированных друг от друга тонким слоем лака.

1. – магнитопровод;

2. – обмотки (I – первичная обмотка; II - вторичная обмотка)

При работе трансформатора его обмотки нагреваются протекающими по ним токами. Нагревается (вследствие перемагничивания и вихревыми токами) и магнитопровод. В трансформаторах небольшой мощности отвод выделяющейся теплоты происходит через кожух. Такие трансформаторы называются сухими.

В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение. Сердечник с обмотками помещают в бак, заполненный минеральным (трансформаторным) маслом. Масло не только отводит тепло за счет конвекции, но и является хорошим диэлектриком.

На схемах трансформатор обозначается следующим образом:

Центральная линия соответствует сердечнику, 1 – первичная обмотка (обычно слева), 2, 3 – вторичные обмотки. Число полуокружностей символизирует число витков обмотки (больше витков – больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).

Конструкция трансформаторов в значительной степени зависит от их назначения.

Трансформаторы одного и того же назначения могут различаться:

• по конструкции обмоток — с концентрическими и чередующимися обмотками;

• по числу обмоток — двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и две или более вторичных обмоток);

• по форме магнитопровода — стержневые (обмотки заключают в себе сердечник); броневые (сердечник заключает в себе обмотки) и др.;

• по виду охлаждения — с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

• по числу трансформируемых фаз — однофазные и многофазные.

4. Работа трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением u₁ по обмотке протекает переменный ток ί₁. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике возникает переменный магнитный поток Ф. Этот магнитный поток, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные индукционные поля с ЭДС e₁ и e₂ .

~u₁ → ~ ί₁ → ~ Ф → e₁ , e₂

ЭДС определяют по закону электромагнитной индукции: е₁ = – N₁• Ф' е₂ = – N₂• Ф'

Поскольку первичную и вторичную обмотки пронизывает один и тот же магнитный поток, то отношение ЭДС первичной к ЭДС вторичной обмотки определится:

е₁ / е₂ = N₁/ N₂

Полученное соотношение справедливо для любых мгновенных значений ЭДС и, следовательно, справедливо и для действующих значений:

Е₁ / Е₂ = N₁ / N₂ =k

:

где k – постоянная для данного трансформатора величина, называемая

коэффициентом трансформации

Работа трансформатора на холостом ходу

Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения, а вторичную оставить разомкнутой, то такой режим работы трансформатора называется холостым ходом.

При разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ее зажимах U₂ будет равно возникающей в ней ЭДС. U2 Е2

В первичной обмотке ЭДС Е₁ мало отличается от подводимого к этой обмотке напряжения U₁, практически их можно считать равными.

U1 Е1

Тогда

U₁ / U₂ = N₁ / N₂ =k

Величина k, показывающая, во сколько раз данный трансформатор изменяет напряжение переменного тока, называется коэффициентом трансформации.

При подаче на первичную обмотку трансформатора напряжения U₁ на выходе вторичной обмотки мы получаем U₂. Оно будет больше первичного, если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная.

Итак, если N₂ N₁, то U₂ U₁, коэффициент трансформации k и трансформатор называется повышающим.