РЕФЕРАТ на тему: "Устройство и принцип действия силового однофазного трансформатора"

Цель учебной практики:

- формирование первичных профессиональных умений, ознакомление с реальным производством по специальности, приобретение навыков работы в коллективе.

- закрепление и углубление знаний, полученных студентами при изучении курса «Общая энергетика» на основе ознакомления с электротехническим оборудованием, работой участка, бригады на объектах монтажа, ремонта или эксплуатации электрооборудования и электрических сетей.

- овладение методами труда и производственными навыками, изучение вопросов организации техники безопасности при производстве работ.   

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................... 3

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ понижающего трансформатора.......................................................................... 3

1.1. СТРОЕНИЕ понижающего трансформатора................. ……………………………….

1.2. РАЗНОВИДНОСТИ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ........................................................ 5

1.3. ПРИНЦИП РАБОТЫ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ..................................................... 5

1.4. УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ.............................................................. 5

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ........... 10

2.1. ОСОБЕННОСТИ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ............... 10

2.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ..................................................... 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................... 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................. 15

ВВЕДЕНИЕ

 

Трансформаторы играют важную роль в передаче энергии на расстояние. Электростанции часто располагаются далеко от промышленных городов, гидроэлектростанции строятся на больших реках, для атомных электростанций требуется большое количество охлаждающей воды, тепловые электростанции тоже часто строят вдали от городов, чтобы уменьшить загрязнение воздуха. Электроэнергию часто приходится передавать на большие расстояния (рис.1), и в линиях электропередачи всегда неизбежны потери энергии. Потери энергии можно уменьшить, если использовать в линиях электропередачи высокое напряжение.

Чем выше напряжение, тем меньше сила тока, и тем меньшая доля мощности теряется в линии электропередачи. В электросетях трансформаторы эффективно выполняют свои функции, например, напряжение они могут регулировать как в автоматическом режиме, так и под нагрузкой.

Существует множество видов трансформаторы, которые являются как общими для разных отраслей, так и специальными. Так трансформаторы используются не только в энергетической промышленности, но и в строительстве, транспорте, специальных видах промышленного производства и т.д.

На мой взгляд, тема "Устройство и принцип действия силового однофазного трансформатора" очень интересна, т.к. он используется во многих устройствах. Цель работы – рассмотреть структуру силового однофазного трансформатора, принцип его работы и использование.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие вопросы:

1.   Назначение, области применения, классификация трансформаторов.

2.   Физические явления, лежащие в основе работы трансформаторов

3.   Устройство и рабочий процесс однофазного трансформатора

4.   Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Схема замещения и векторная диаграмма приведенного трансформатора

Структура работы строилась в соответствии с поставленными задачами и состоит из введения, 2 основных глав, заключения и списка использованной литературы. В первой главе рассмотрено строение силового однофазного трансформатора, типы силовых трансформаторов. Во второй главе приведены примеры использования силового однофазного трансформатора.

ГЛАВА 1. Назначение, областЬ применения, классификация трансформаторов

 

1.1. Назначение трансформаторов

Трансформатор — это статическое устройство, предназначено для преобразования электрической энергии из одной цепи в другую с изменением напряжения тока и без изменения частоты. Такое преобразование необходимо во всех отраслях промышленности. В частности, в энергетике применение трансформаторов обеспечивает основное преимущество электрической энергии – возможность передачи ее на большие расстояния с минимальными потерями.

При передаче электроэнергии в линии электропередачи (далее – ЛЭП) возникают потери энергии.  Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП. При относительно низком напряжении ток в линии может быть весьма большим. Большой ток в проводах линии электропередачи обусловливает значительные потери. Для уменьшения этих потерь при той же передаваемой мощности необходимо уменьшить ток в линии электропередачи. Для этого напряжение в ЛЭП должно быть повышено. Эта задача решается с помощью трансформаторов, поэтому силовые трансформаторы являются необходимым элементом промышленных электрических сетей. В начале линии передачи со стороны генератора устанавливается повышающий трансформатор, который увеличивает напряжение в десятки раз, а в конце ЛЭП со стороны потребителей устанавливается понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до номинального напряжения потребителя.

Рисунок 1 – Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя.

Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока.

Существует два типа трансформаторов, классифицируемых по их функции: повышающий трансформатор и понижающий трансформатор.

Понижающий трансформатор преобразует высокое напряжение и низкий ток с одной стороны в низкое напряжение и высокое значение тока на другой стороне (рис.2). Этот тип трансформатора имеет широкое применение в электронных устройствах и электрических системах.

Повышающий трансформатор повышает значение напряжения электрического тока. На первичной обмотке оно ниже, а на вторичной выше (рис.2).

Рисунок 2 – Повышающий и понижающий трансформаторы

 

Чтобы определить тип трансформатора – понижающий или повышающий, нужно узнать коэффициент трансформации. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий и наоборот если К>1, то понижающий (если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

Формула по вычислению коэффициента трансформации

где:

U₁ и U₂ – напряжение в первичной и вторичной обмотки,

N₁ и N₂ – количество витков в первичной и вторичной обмотке,

I₁ и I₂ – ток в первичной и вторичной обмотки.

 

 

1.2 Области применения трансформаторов

 В электротехнологии используются сварочные и печные трансформаторы. Печные трансформаторы обеспечивают напряжение, необходимое для питания электродуговых и индукционных печей; сварочный трансформатор создает напряжение, необходимое для горения электрической дуги в процессе электрической сварки.

Кроме того, трансформаторы разных типов широко применяются в различных областях электротехники, электроники, электротехнологии, в устройствах измерения и контроля, автоматического управления и др.

Трансформаторы разных типов имеет разные особенности конструкции и обладают разными характеристиками. Однако в основе работы всех трансформаторов лежит один принцип – индукционное действие магнитного поля (явление электромагнитной индукции).

Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты. Силовые трансформаторы выпускаются в основном на частоту 50 Гц.

 

1.3 Классификация трансформаторов

В зависимости от конструктивных особенностей и принципа действия выделяют следующие виды трансформаторов:

- Стержневые. Эти модели, в которых обмотки располагаются вокруг сердечников магнитопровода, обладают средней или высокой мощностью. Стержневые понижающие трансформаторы (рис.3) имеют простую конструкцию, их обмотки легко изолировать, обслуживать и осуществлять ремонт. Их разновидность – броневые аппараты, в которых обмотки «броней» охватывают магнитопровод (рис.3) Это простой и дешевый аппарат, но его трудно обслуживать и ремонтировать.

 

 

 

Рисунок 3 – Трансформаторы со стержневым и броневым сердечником

 

- Тороидальные. По сравнению с другими трансформаторами имеет легкий вес и малые габариты. Используется в радиоэлектронике для получения высокой плотности тока, из-за хорошего охлаждения обмотки. Стоит недорого, так как длина обмотки значительно короче других из-за сердечника в форме тора (рис.4). Может выдерживать более высокие температуры, чем остальные виды прибора.

Рисунок 4 – Трансформатор с тороидальным сердечником

 

- Многообмоточные. Имеют две или более вторичных обмоток. Позволяют получать несколько значений выходного напряжения, то есть обеспечивают питание нескольких потребителей (рис.5).

Рисунок 5 – Многообмоточный трансформатор

 

По роду тока, с которым работают трансформаторы, их разделяют на:

- Однофазные. Наиболее распространенный тип, имеющий профессиональное и бытовое применение. Фазный и нулевой провода электропроводки подсоединяются к первичной обмотке.

- Трехфазные. Востребованы в энергетике, на производственных предприятиях, реже – в бытовых условиях. Служат для трансформации трехфазного напряжения.

По способу установки классифицируются в зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.

По числу ступеней, устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.

По номинальному напряжению бывают низко- и высоковольтными.

По виду охлаждения: с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.

Более широкий спектр охватывает классификация по назначению:

- Силовые трансформаторы - приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, они востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

- Измерительные трансформаторы подразделяются на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Они обеспечивают гальваническую развязку между цепями высокого и низкого напряжений. Как видно из названия, основное применение — снижение первичного напряжения или тока до величины, используемой в измерительных цепях, например для подключения амперметров, вольтметров, счетчиков электрической энергии. Также они могут применяться в различных цепях защиты, управления и сигнализации. От других типов трансформаторов отличаются повышенной точностью и стабильностью коэффициента трансформации.

- Импульсный трансформатор используется при необходимости преобразования сигналов импульсного характера. Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму. Эти приборы используются в современном радиоэлектронном оборудовании, для источников питания импульсного типа, телевизорах, компьютерах и другой технике. Ещё одна область использования устройств – в качестве защитных элементов при коротком замыкании в условиях холостого хода, чрезмерной нагрузке или избыточном нагреве.

- Автотрансформатор — это разновидность трансформатора, имеющего одну обмотку на многослойном сердечнике. Он похож на двухобмоточный трансформатор, но отличается тем, что часть обмотки является общей как для первичной, так и для вторичной сторон. В состоянии нагрузки часть тока передаётся непосредственно от источника питания, а оставшаяся часть – от действия самого устройства. Таким образом, прибор действует в качестве регулятора напряжения. Применяются они для питания бытовых приборов, пуска асинхронных электрических двигателей, в промышленных электрических сетях. В быту автотрансформаторы используют для регулировки напряжения сети, если оно завышено или занижено.

- Разделительный трансформатор — данные устройства мало чем отличается от обычных понижающих или повышающих трансформаторов. Единственное различие заключено в том, что на общем магнитопроводе размещаются абсолютно идентичные обмотки. То есть у них полностью совпадают такие параметры как сечение провода, количество витков, изоляция. Поэтому коэффициент трансформации у них равен единице. Задачей этих устройств является обеспечение гальванической развязки, т.е. исключение непосредственной электрической связи между электрической сетью и подключаемому к ней, через данный трансформатор, оборудованию. 

Применяются в тех областях, где предъявляются повышенные требования к электробезопасности, например подключение медицинского оборудования.

- Согласующий трансформаторы применяются для согласования сопротивления различных частей каскадов электронных схем, а также для подключения нагрузки, не соответствующей по сопротивлению допустимым значениям источника сигнала, что позволяют передать максимум мощности в такую нагрузку. При этом само непосредственное изменение показателей силы тока и напряжения не имеет значения. Они применяются в усилителях низкой частоты в качестве входных, межкаскадных и выходных трансформаторов. В качестве входных, согласующие трансформаоры применяются в звуковоспроизводящей аппаратуре для подключения микрофонов и звукоснимателей различных типов.

Трансформаторы этого типа используются для согласования сигнала при подключении антенн к приёмным и передающим устройствам.

- Пик-трансформаторы - преобразуют напряжение синусоидальной формы в импульсные пики с сохранением их полярности и частоты колебаний. Незаменимы там, где для запуска исполнительного устройства требуется единичный импульс с установленной амплитудой напряжения. Это, например, управляющие электронные схемы, собранные на тиристорах. Так же применяются в качестве генераторов импульсов, главным образом в высоковольтных исследовательских установках, в технике связи и радиолокации. Наибольшее применение пиковые трансформаторы получили в автоматизации технологических процессов.

- Сварочные трансформаторы являются основными источникам питания для ручной дуговой сварки на переменном токе. Они служат для понижения напряжения сети с 220В или 380В до безопасного и вместе с тем повышения величины тока для увеличения температуры электрической дуги.

 

 

Глава 2. Физические явления, лежащие в основе работы трансформаторов

 

Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. Действие названо законом электромагнитной индукции, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате обоснования закона учёный создал общую теорию, используемую в работе огромного числа современных электрических приборов.

Иными словами, работа трансформатора основана 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)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т.д.

Исключение - силовой трансформатор. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

В случае силового трансформатора, работающего в схеме Преобразователя Мотовилова, он преобразует постоянный силовой ток первичной обмотки в постоянный силовой ток вторичной обмотки при прямоугольном переменном напряжении на обеих обмотках. Последнее выпрямляется в постоянное напряжение так, что на входе и выходе схемы Мотовилова действуют постоянные токи при постоянном напряжении.

 

Глава 3. Устройство и рабочий процесс однофазного трансформатора

 

3.1 Конструкция однофазного трансформатора

Любой однофазный трансформатор может работать только в цепях переменного тока. За счёт него полученное электрическое напряжение изменяется в нужную величину. Ток, полученный таким способом, повышается, в результате того, что мощность отдаётся в действительности без потерь. С этого и следует вывод, что основное использование такого прибора – вывести необходимое для решения задачи напряжение, после чего можно применять в определённых целях.

Вникнуть в работу прибора поможет детальный разбор конструкции трансформатора. Состоит он из следующих основных частей:

–  сердечник, состоящий из материалов с ферромагнитными свойствами;

–  Две катушки, вторая находится на отдельном каркасе;

–  Защитный чехол (имеется не у всех моделей).

Конструкция однофазного трансформатора представлена на рисунке 6.

 

Рисунок 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Недостатки шаговых двигателей

 

Из недостатков, у шаговых двигателей возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи(резонанс), а потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки. Поэтому у таких двигателей сложность с работой на высокой скорости, сложная схема управления, удельная мощность не велика.

 

 

2.1.  Использование шаговых двигателей

 

На экскурсии по ЧТПЗ, посетив цеха «Высота 239» и «ЭТЕРНО», мы сделали вывод, что во многих производственных установках используются электрические двигатели, в их числе и шаговые.

 

Далее представлены еще примеры использования шаговых двигателей:

 

1)    Шаговые двигатели используют для управления чертѐжной головкой чертѐжных автоматов, в устройствах контроля профилей кошмо- вальных станков, которые используют для контроля данных на пер- фоленте копировальных станков с цифровым программным управле- нием – шаговый двигатель служит для управления звѐздочкой, пере- двигающей ленту.

2)    Гибридные двигатели обеспечивают меньшую величину шага, боль- ший момент и большую скорость. Обычное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 –

0.9 град.). Его применение особенно широко в станках с ЧПУ (чис- ловое программное управление) по дереву, для воздушно-

плазменной резки, фрезеровочные станки и так далее.

 

3)    К другим областям применения относятся факсимиле, устройство, предназначенное для передачи документов и чертежей на расстояние с помощью телефонных линий, называются факсимиле-машинами.

 

4)    Шаговые двигатели используют при управлении барабаном для суб- сканирования как в передающем, так и в принимающем устройстве.

 

5)    Полуавтоматическое устройство для монтажа плат – весь монтаж программируется и запоминается на перфоленте. Как только нажати- ем кнопки запускается программа монтажа, лампочка индикатора

указывает первый из требуемых проводников. Одновременно с этим запускаются два шаговых двигателя, обеспечивающие перемещение по горизонтальной и вертикальной осям и определяется отверстие, в которое вставляется монтируемый проводник. Оба двигателя задей- ствуются сразу, как только очередной монтаж выполнен.

 

6)    Шаговые двигатели используют в космических летательных аппара- тах, запускаемых для научного исследования планет. На сканирую- щей платформе располагают различные приборы, например, телеви- зионные камеры и ультрафиолетовые спектрометры. Шаговые дви- гатели применяют для их наведения на нужную цель. На аппарате Mariner использовали четырехфазные двигатели с постоянными маг- нитами 11-го калибра (27 мм в диаметре) с углом шага 90град. Зуб- чатая передача электропривода с передаточным отношением 9081:1,

заключенная в металлический контейнер, обеспечивает на каждом шаге двигателя поворот вала на 0,1792 м-рад (около 0.1 град.).

 

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией произво- дителей электрооборудования(NEMA) по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17(42мм), NEMA 23(57мм), NEMA 34(86мм) и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Рассмотрев устройство и принцип работы шаговых двигателей, можно сделать вывод, что шаговые двигатели используются во многих механиче- ских устройствах.

 

Я думаю, что выбор шагового двигателя в механизмах обусловлен тем, что шаговые двигатели, хоть и не способны работать на высоких ско- ростях, но такие двигатели обладают высокой точностью так, как способ- ны быстро стартовать и останавливаться и способны четко следовать за- данному алгоритму. Также данные двигатели являются экономичным ре- шением при необходимости точного управления скоростью. Поэтому ша- говые двигатели используются в производстве, а также в других индустри- альных сферах. В этом мы убедились при рассматривании мест, где уста- навливают и используют шаговые двигатели, а так же посетив экскурсию по «ЧТПЗ».

 

Подводя итог, можно сказать, что шаговые двигатели необходимы для работы некоторых видов устройств, и поэтому имеют важное значение на производстве и других сферах деятельности человека.

 

Заключение

Понижающие напряжение трансформаторы применяются повсеместно. В зависимости от типа, прибор может применяться как в бытовых условиях, так и в промышленных, однако чаще всего они используются в источниках питания различных приборов и в электросетях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.         Беспалов, В. Я. Электрические машины Учеб. пособие для вузов по направлению 140600 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" В. Я. Беспалов, Н. Ф. Котеленец. - М.: Ака- демия, 2006. – с. 229-230.

2.         Кацман М. М., Юферов Ф. М. Электрические машины автомати- ческих систем. — М.: Высшая школа, 1979. — с. 261.

3.         https://24techno-guide.ru/shagovii-dvigatel---princip-raboti.php

4.         Черенков Н.С.,Матул Г.А. Политехнический институт(филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова» https://scienceforum.ru/2014/article/2014004125

 

 

Принцип действия:

На первичную обмотку, имеющую большее количество витков по сравнению с вторичной, поступает сетевой ток. Он образует магнитное поле, пересекающее вторичную обмотку.

Во вторичной обмотке образуется ЭДС, под воздействием которой генерируется выходное напряжение со значением, необходимым для электропитания электронных приборов. Отношение входного напряжения к выходному равно отношению количества витков первичной обмотки к числу витков вторичной. Конструкция понижающего трансформатора может предусматривать одновременное подключение нескольких низковольтных потребителей.

В ходе трансформации происходят потери мощности, равные примерно 3 %.