Методическая разработка темы "трансформаторы"

 

Целью изучения данной темы является формирование знаний о принципе действия и устройство трансформатора, как одного- из пред­ставителей статических электрических машин (в соответствии с единой классификацией электрических машин), а такие формирова­ние графических расчетных измерительных умений»/ По программе на тему отведено 6 часов, в том числе 2 часа на лабораторную работу. Рекомендуем следующую разбивку содержания теш по урокам:

1.     Общие сведения о трансформаторах. Однофазный транс­форматор.

2.     Трехфазный трансформатор.

3.     Режимы работы трансформатора. Мощность и КПД транс форматора.

4.     Автотрансформаторы.

5.     Лабораторная работа.

Урок № I. Обилие сведения о трансформаторах. Однофазный трансформатор.

Дидактическая цель - формирование знаний о назначении, прин­ципе действия и устройстве трансформатора.

Воспитательная цель - знакомство о материалами съездов KПCC;

формирование диалектико-материалистического миро­воззрения; рассказ о рода русских ученых в развитии трансфор­маторов.

Логическая цель - формирование умений анализировать, синтезиро­вать, обобщать, выявлять научные основы устройства и принципа действия трансформатора.

Методы ведения урока: беседа, нооящая проблемный характер.

Тип урока - сообщение новых знаний.

Оборудование: трансформаторы разного типа и конструкции, два вольтметра, плакаты, диафильм, источник электро­энергии переменного тока, два амперметра.

Структура урока.

1.                   Организационная часть.

2.                   формирование новых знаний и умений.

3.                   Выводы и обобщения.

4.                   Задание на дом.

План Формирования новых знаний и умений.

1.                   Сообщить цели урока.

2.                   Сформулировать определение понятия "трансформатор".

3.                   Рассказать о применении трансформаторов в подготавливаемой профессии, о трудовых функциях при его эксплуатации и обслуживании, о применении в других отраслях народного хозяйства (силовые, сварочные, печные, измерительные и др.).

4.                   Показать некоторые типы трансформаторов, применяемые на железнодорожном транспорте (РТ, СТ, П0БС и др.).

5.                   Отметить приоритет русских ученых в применении трансформа­торов для технических целей: Яблочков П.Н. (1870 г.) - для питания электрических свечей; Доливо—Добровольский И.О. (1891 г.) предложил трехфазную систему передачи электроэнергии и разработал конструкцию первого трехфазного трансформатора.

6.                   Сообщить решения съездов КПСС по сооружению магистральных линий электропередачи напряжением 500, 750 и 1150 тысяч вольт; по освещению производства комплексов высоковольтного оборудования для линий электропередачи постоянного тока напряжением 1500 KB и переменного тока напряжением до 1150 кВ.

7.                   Продемонстрировать действие трансформатора, подключив ампер­метры и вольтметры к первичной и вторичной обмоткам.

К зажимам вторичной обмотки подключить регулируемый приемник электроэнергии (ламповый реостат, резистор и т.п.). Далее приступить к формированию знаний о принципе действия и устройстве трансформатора.

8.                   Вопросы к классу:

Почему в обмотке, к которой подключен приемник электроэнер­гии, возникают напряжение и ток?

На каком явлении (законе) основана работа трансформатора?

Что называют электромагнитной индукцией?

Что такое самоиндукция? Взаимоиндукция?

Что называют переменным током?

В чем заключается электромагнитное действие тока?

Что таксе намагничивающая сила?

Каково назначение сердечника в трансформаторе?

Какова причина возникновения индуктированной э.д.с. в

обмотках трансформатора?

При ответе на этот вопрос необходимо добиться от учащихся чет­кого понимания, что индуктированная э.д.с. в обмотках трансформатора имеет электрическое происхождение. Напомнить о вихревом электрическом поле, о единстве магнитного и электрического полей, как составных частей электромагнитного поля, одной из форм материи.

9.                   Пояснить зависимость э.д.с. индукции от числа витков обмоток.

 - для одного витка

- для W₁ витков

 - для W₂ витков.

10. Ввести понятие «коэффициент трансформации». Показать на опыте, что один и тот же трансформатор может быть повышающим либо понижающим.

11. Исходя из принципа действия, объяснить устройство транс­форматора, т.е. провести анализ. Ввести понятия: первичная обмот­ка, вторичная обмотка, обмотка высшего напряжения, обмотка низшего напряжения, магнитопровод; число витков, напряжение, ток, э.д.с. соответственно первичной и вторичной обмоток.

Анализ устройства трансформатора.

Активные (существенные) части             Их назначение

12.                Затем необходимо пояснить взаимодействие между активными частями трансформатора (синтез). Объяснить сущность процессов, протекающих в трансформаторе в рабочем режиме. Показать зависимость тока I₁ от I₂ отметить существенное свойство - саморегулирование.

13.                Указать на особенности трансформаторов различного назначе­ния: тяговых в устройствах СЦБ, сварочных, печных, измерительных, автотрансформаторов.

Закрепление новых знаний.

1.                   Почему сердечник трансформатора набирают из стальных изоли­рованных пластин?

2.                   По каким внешним признакам обмотку высшего напряжения можно отличить от обмотки низшего напряжения?

3.                   Какой измерительный прибор необходимо иметь для эксперимен­тального определения коэффициента трансформации? Сколько измере­ний необходимо сделать?

4.                   Решить задачи № 520, 521.

5.                   Как измерить сопротивление обмоток трансформатора постоян­ному току измерительным мостом? (Вызвать 2-х учащихся).

6.                   Как проверить мегомметром сопротивления токонесущих частей трансформатора между каждой обмоткой и корпусом? Между обмотками? (Вызвать двух учащихся).

7.                   Проверьте провода обмоток на обрыв мегомметром и контроль­ной лампой. (Вызвать 2-х учащихся).

8.                   Ответить на волосы карточек 1,6.

После закрепления с помощью учащихся необходимо сформулировать выводы и обобщения.

Выводы  и обобщения.

1.                   Трансформатором называют статистический электромагнитный аппарат, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения той же частоты.

2.                   Действие трансформатора основано на явлении электромагнит­ной индукции.

3.                   Существенным признаком трансформатора является пропорциональ­ная зависимость тока I₁- от тока I₂ (саморегулирование).

4.                   Активными (существенными) частями трансформатора являются первичная и вторичная обмотки, магнитопровод.

Задание на дом. §§ 65-57/

Урок 2.Трехaфазный трансформатор.

Цель урока - ознакомить учащихся с работой и устройством трехфазного трансформатора.

Методы ведения урока - объяснение.

Тип урока - сообщение новых знаний.

Оборудование - модель трехфазного трансформатора, плакаты.

Структура урока.

1.                   Организационная часть.

2.                   Актуализация знаний.

3.                   Изложение нового материала.

4.                   Закрепление.

5.                   Задание на дом.

Ход урока

1. Повторение пройденного материала, необходимого душ изуче­ния нового.

Вопросы к классу.

Что называется трансформатором?

Какое физическое явление положено в основу работы трансформа­тора?

Как определить коэффициент трансформации?

Каково назначение сердечника?

Почему магнитопровод набран из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали?

Как зависит ток первичной обмотки трансформатора от тока вто­ричной обмотки?

Какое соотношение между линейными и фазными напряжениями при соединении обмоток генератора и приемника звездой? треугольником?

Кто из русских ученых разработал конструкцию первого трехфаз­ного трансформатора?

2. Рассказать о широком применении, устройстве и работе трех­фазного трансформатора.

Отметить особенности конструкции магнитопровода, расположение обмоток высшего и низшего напряжений.

Познакомить с условными обозначениями, со схемами соединения обмоток; с обозначениями зажимов обмоток, с маркировкой трансформаторов.

Рассказать об условиях включения трансфо-ров на параллель­ную работу.

3.Закрепление по вопросам:

Какие условия должны соблюдаться при включении трансформаторов на параллельную работу?

Из каких основных частей состоит трехфазный трансформатор?

Как определяют номер группы соединений трехфазного трансформа­тора?

Почему обмотки высшего напряжения, как правило, соединяют в звезду?

Как обозначают трехфазные трансформаторы на схемах?

Как обозначают зажимы обмоток высшего (Низшего) напряжения?

Почему обмотку низшего напр-ния располагают ближе к стержню магн-да?

Каково назначение трансформаторного масла?

Задание на дом. §§ 60,61.

Урок № 3.

Режимы работы трансформатора. Мощность и к.п.д. трансформатора.

Цель урока - познакомить учащихся с работой тарннсформатора при холостом ходе, коротком замыкании и рабочем режиме. Дать понятие о мощности и к.п.д. трансформатора.

Методы ведения урока: объяснение и демонстрация опытом холосто­го хода, короткого замыкания и рабочего режима трансформатора.

Тип урока - сообщение новых знаний.

Оборудование: трансформатор однофазный мощностью 300 ВА на 120/12 В (или с другими параметрами), вольтметры и амперметры переменного тока, ваттметр.

Структура урока.

1.      Организационная часть.

2.      Изложение нового материала.

2.     Закрепление.

3.     Задание на дом.

План изложения нового материала

1. Сообщить цель уроки.

2. Рассказать, что понимают под режимами холостого хода, корот­кого замыкания и рабочим режимом.

3.Путем опроса 1-2 учащихся напомнить сущность процессов, про­текающих в трансформаторе яри холостом ходе. Добавить, что магнитный поток трансформатора при холостом ходе зависит от намагничивающей силы первичной обмотки F₀=I₀W₁, поперечного сечения магнитопровода и магнитной проникаемости стали. Падение напряжения в первичной обмотке∆U₁ ≈ О , поэто­му Е₁ = -U₁;  ∆U₂ = О, т.к. I₂ = 0, поэтому Е₂ = U₂. Следовательно, если включить вольтметры в цепь первичной обмотки и на зажимы вторичной обмотки, то можно определить коэффициент трансформации. К = U₁/U₂.

Так как ток I₀ незначителен  (I₀ = 4 ÷ 10% от I_н  для трансфор­маторов средней и большой мощности), то мощность, расходуемая на нагрев первичной обмотки очень мала. Ею можно пренебречь. Во вто­ричной обмотке выделение тепла вообще не происходит, т.к. она разомкнута. Следовательно, потребляемая трансформатором мощность тратится в основном на компенсацию потерь мощности в магнитопроводе от действия вихревых токов и гистерезиса , т.е. никаких потерь в стали∆ Р_ст.

4.     Далее необходимо экспериментально определить I₀, K, ∆ Р_ст. Включить предварительно собранную схему в сеть.

Записать показания приборов. Вычислить коэффициент трансфор­мации. Сделать выводы: при холостом ходе молено определить три параметра трансформатора I₀, K, ∆ Р_ст.

 

 

5.     Объяснить сущность процессов, протекающих в трансформаторе при коротком замыкании, фи этом необходимо отметить, что следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях (аварийное состояние) и опыт короткого замыкания, который служит для определения двух важных параметров трансформатора - напряжения короткого замыканияUк и мощности потерь в меди∆Рмили электрические потери мощности в обмотках трансформатора.

6.     Провести демонстрационный эксперимент для определения указан­ных параметров. При этом используется схема для снятия характерис­тик холостого хода, в которой во вторичную обмотку вместо вольт­метра включить соответствующий амперметр.

Установить U₁ = U_1k, при котором I₁ = I_1н; I₂ = I_2н. Записать показание ваттмет­раР = Р_1к, = А Рм.

Выводы: в результате опыта короткого замыкания опреде­ляют электрические потери мощности в Обмотках транс­форматора и напряжение короткого замыкания.

 

 

 

 

 

7.     Рассмотрев режимы холостого хода и короткого замыкания, перейти к объяснению процессов, протекающих в рабочем режиме. Спросить 1-2 учащихся о зависимости первичного тока I₁ от вторич­ного тока I₂. Подтвердить, указанную зависимость опытным путем. Провести демонстрационный эксперимент, включив во вторичную об­мотку ламповый реостат и соответствующие амперметр и вольтметр. Изменяя сопротивление лампового реостата, показать зависимость I₁ от I₂ полностью включенном реостате записать значения U₁, I₁, U₂, I₂. Вычислить P₁ = U₁I₁ Вт и Р₂ = U₂I₂ Вт; cos a = 1).

8.     Сформулировать определения понятий "номинальная мощность и "кпд" трансформатора. Написать формулу энергетического баланса в трансформаторе Р₁ = Р₂ + ∆Р_эл1 + ∆Р_ст + ∆Р_эл2 = Р₂ + ∆Р. пояснить, что ∆Р_эл1 + ∆Р_эл2 = ∆Р_м. Рассказать о способах уменьшения потерь: выбор сечения проводов обмоток, применение электротехнической стали для изготовления магнитопровода и расслоение магнитопровода на ряд изолированных друг от друга листов. Написать формулу кпд трансформатора η = Р₂/Р₁ = . Рассказать, как изменяется кпд с изменением нагрузки трансформатора. При значительных недогрузках P₂ уменьшается, ∆Р_ст = const,η – понижается. При перегрузках (I_2max) возрастают ∆Р_м = I² R - уменьшается.

Закрепление нового материала.

Провести по карточкам.

Задание на дом §§ 58,59.

Урок № 4. Автотрансформаторы.

Цель урока - познакомить учащихся с работой и устройством автотрансформаторов.

Методы ведения урока - объяснение демонстрацией работы автотранс­форматора.

Тип урока - сообщение новых знаний.

Оборудование - лабораторный автотрансформатор, плакаты.

Структура урока.

1.     Организационная часть

2.     Изложение нового материала

3.     Закрепление.

4.     Задание на дом.

План изложения нового материала.

1.      Напомнить учащимся, что автотрансформатор относится ц специ­альному типу трансформаторов. В трансформаторах обычного типа первичная и вторичная обмотки связаны между собой только магнитным потоком. Но можно выполнить трансформатор так, чтобы его первичная и вторичная обмотки имели общую часть, т.е. обмотки имеют еще и электрическую связь. Такой трансформатор называют автотрансфор­матором. Автотрансформаторы так же как и обычные трансформаторы могут быть понижающими или повышающими, однофазными и трехфазными.

Сообщить, что автотрансформаторы применяют лишь в тех случаях, где требуется сравнительно небольшое изменение напряжения: при высоких напряжениях - не более чем в 1,5-2 раза, при низких - не более чем в 3 раза,

Автотрансформаторы типа JIATP применяют при различных лабораторных исследованиях. В них можно регулировать напряжение на зажимах "нагрузка" от нуля до напряжения сети и выше. Включить ЛАТР в сеть и показать, как регулируется вторичное напряжение.

2. Показать на плакате силовые автотрансформаторы. Показать плакат со схемами однофазного понижающего и повышающего трансформатора и условными обозначениями. Отметить, что принцип действия автотрансформатора аналогичен принципу действия обычного двухобмоточного трансформатора.

3. Вызвать к доске учащегося и предложить объяснить принцип работы автотрансформатора. Учащиеся должны четко знать параметры автотрансформаторов.

U₁ном I₁ном ≈ U₂ном I₂ном ≈ Sном; U₁ ≈ E₁; E₂ = E_{1 ·} W₂/W₁; U₂ = E₂.

Коэффициент трансформации определяется по тем же формулам, что и для обыч­ных трансформаторов. Так во вторичной цепи понижающего автотранс­форматора равен I₂= I₁ + I₃, а для повышающего автотрансформа­тора I₂ = I₁- 1₃, где I₃ - ток в общей части автотрансформатора. Далее следует рассказать о преимуществах и недостатках автотрансформаторов.

Преимущества: экономия проводникового материала и стали сердечника, меньшие потери энергии.

Недостатки: опасность перехода высокого напряжения в цепь низкого напряжения.

Необходимо добавить, что правила техники безопасности запре­щают применение автотрансформаторов для питания цепей местного переносного освещения, а также ручного электрифи­цированного инструмента.

Закрепление нового материала.

1. Решить задачи №№ 589,590,593

Задание на дом I/ § 62

2. Описать сходство и различие автотрансформатора и обычного двухобмоточного трансформатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Карточки-задания к теме " трансформаторы"

Карточка №1.

1.                   "Какое физическое явление положено в основу работы трансформатора?

2.                   Что приводит в движение электроны во вторичной обмотке и служит причиной возникновения в ней э.д.с.?

3.                   Как зависит э.д.с. вторичной обмотки от ее числа витков?

4.                   Как зависит первичный ток от тока нагрузки?

5.                   Как осуществляется передача электроэнергии от первичной обмотки к вторичной у обычного трансформатора?

6.                    

Карточка №2

Задание: подставить недостающее выражение

1.     Обмотка трансформатора, соединенная с источником электроэнергии, называется

2.     Обмотка трансформатора, соединенная с приемником электро­энергии, называется              

3.     У трехфазного трансформатора первичной (или вторичной) обмоткой принято называть                          

4.     Мощность трансформатора, которую он может отдавать длительное время не перегреваясь свыше допустимой температуры, называ­ется

5.      

Карточка №3

1.                   Каково назначение трансформаторов?

2.                   Как классифицируют трансформаторы по конструктивным признакам?

3.                   Как классифицируют трансформаторы в зависимости от способа охлаждения?

4.                   № находят применение трансформаторы в Вашей профессии?

5.                   Каково назначение сердечника в трансформаторе?

 

Карточка №4

1.                   Каково основное назначение трансформаторного масла?

2.                   Почему обмотку низшего напряжения располагают ближе с стержню магнитопровода?

3.                   Зачем заземляют магнитопровод и корпус трансформатора?

4.                   Кто из русских ученых построил первый однофазный трансформа­тор? Когда?

5.                   Кем из русских ученых был построен первый трехфазный транс­форматор?

 

 

 

 

Картона№ 5

№№ пп	Задание: напишите основные области приме­нения основных типов трансформа­торов	Ответы
1.	Силовые трансформаторы
2.	Автотрансформаторы
3.	Сварочные трансформаторы
4.	Печные трансформаторы
5.	Измерительные трансформаторы

 

         Карточка №6

№№ пп	Задание: проставить недостающие условные обозначения электрических величин	Оценка ответа
		правильно	Неправильно
1. 2.   3. 4.   5.	Е1 = 4,44 f….. Фт U2 = I1 = K = W1/W2 = ….

 

         Карточка №7

№№ пп	Задание: ответить, что обозначено на схемах	Ответы
1.   2.   3.   4. 5.

 

Карточка №8

№ пп	Задание: ответить, что обозначено на схеме	Ответы
1.   2.   3.   4.   5.

Эталоны ответов к карточкам-заданиям по теме «Трансформаторы»

Карточка № 1

1.     Явление электромагнитной индукции.

2.     Вихревое электрическое поле.

3.     Э.д.с. прямо пропорциональна числу витков,

_4.        Ток I₁ пропорционален току I₂

5.     Посредством переменного магнитного gоля.

Карточка№ 2.

1. Первичной. 2. Вторичной. 3. Совокупность трехфазных обмоток одного напряжения.

4. Коэффициентом трансформации.

5. Номинальной мощностью.

Карточка №3

1.                Преобразование переменного тока одного напряжения в перемен­ный ток другого напряжения той же частоты.

2.                Стержневые, броневые, тороидальные.

3.                Сухие с естественным или с искусственным воздушным охлаждением; масляные с естественным охлаждением; масляные с искусственным воздушным охлаждением масляного бака; масляные с искусственной циркуляцией масла и охлаждением в особых охладителях с естест­венным или искусственным воздушным или водяным охлаждением.

4.                В зависимости от профессии.

5.                Усиление магнитногопотока.

Карточка №4

1.                Охлаждение обмоток трансформатора.

2.                Исходя из требований техники безопасности.

3.                Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала.

4.                II. Н. Яблочков в 1878 г,

5.                М.О. Доливо-Добровольским, в 1891 г.

Карточка №5

1.                Передача и распределение электроэнергии.

2.                Преобразование напряжения в небольших пределах; для пуска двигателей переменного тока.

3.                Для дуговой сварки.

4.                В электрометаллургии.

5.                Для включения в схемы измерительных приборов.

Карточка №7

1.      Развернутое обозначение однофазного трансформатора.

2.      То же трехфазного трансформатора.

3.      То же однофазного автотрансформатора.

4.      Общие сведения об электрических машинах.

5.      Трехфазный асинхронные электродвигатели.

6.      То же трехфазного автотрансформатора.

7.      То же трансформатора тока.

Карточка №8

1.                Упрощенное многолинейное обозначение однофазного трансформатора.

2.                То же трехфазного трансформатора.

3.                То же однофазного автотрансформатора.

5.                То же трехфазного автотрансформатора.

6.                То же трансформатора тока.