Фізика 11. Урок «Виробництво, передача та використання енергії змінного струму. Трансформатор»

Значення передачі енергії змінного струму Енергія змінного струму може передаватися на великі відстані за допомогою провідників, але це призводить до втрат енергії через нагрівання. Щоб зменшити ці втрати, опір провідників і струм повинні бути зведені до мінімуму. Цього можна досягти за рахунок зниження опору провідника за рахунок вибору матеріалу, регулювання довжини або збільшення площі поперечного перерізу.

Підвищення ефективності за рахунок регулювання напруги Для мінімізації втрат енергії при передачі потрібні високі напруги і низькі струми. Збільшення напруги в 10 разів знижує силу струму і тепловиділення в 100 разів. Тому для регулювання напруги для ефективної передачі електроенергії використовуються Трансформатори.

Принцип роботи трансформатора Трансформатор-це електромагнітний пристрій, який перетворює змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги з постійною частотою. Він складається з замкнутого магнітопровода і двох обмоток, виготовлених з ізольованого мідного дроту, відомих як первинна і вторинна обмотки.

Дія трансформатора засноване на явищі електромагнітної індукції. Коли первинна обмотка підключена до джерела змінного струму, вона створює змінний магнітний потік в замкнутому сердечнику, індукуючи ЕРС як в первинній, так і у вторинній обмотках відповідно до їх відповідною кількістю витків (N1 для первинної і N2 для вторинної). Індуковані ЕРС пов'язані через E1 = - nE2, де n = N1/N2 являє собою співвідношення витків між обмотками.

Робота трансформатора без навантаження Робота трансформатора без навантаження відбувається, коли вторинна обмотка не підключена до жодного навантаження. В цьому випадку індукована ЕРС (електрорушійна сила) E1 викликає невелике падіння напруги на первинній обмотці, що призводить до незначного протікання струму. Співвідношення напруг і витків між первинною і вторинною обмотками визначає коефіцієнт перетворення K.

Регулювання напруги в режимі холостого ходу В умовах холостого ходу співвідношення між напругами U1 і U2 визначається за допомогою ERS (самоіндуктивності), епсилон 1 ділиться на епсилон 2, що дорівнює N1, поділеному на N2, помноженому на K. Якщо N1 > N2 або K > 1, то U1 буде більше U2; якщо N1

Коли вторинна обмотка трансформатора навантажена, в ній індукується електричний струм. Цей струм зменшує магнітний потік в сердечнику і зменшує самоіндукцію в первинній обмотці. В результаті сила струму в первинній обмотці збільшується.

Трансформатори в будь-якому технічному пристрої мають певні втрати енергії. Коефіцієнт корисної потужності трансформатора-це співвідношення між вихідною потужністю P2, яку трансформатор подає споживачеві електричної енергії, і вхідною потужністю P1, яку трансформатор споживає з електричної мережі. Це корисне співвідношення потужності позначається eta і дорівнює відношенню P2 до P1, помноженому на 100%.

Області застосування трансформаторів Трансформатори використовуються для підвищення і зниження напруги при передачі електроенергії на великі відстані. Підвищувальні Трансформатори поблизу електрогенераторів забезпечують передачу при високій напрузі, знижуючи втрати енергії в проводах. Знижувальні трансформатори знижують високу напругу на лініях електропередачі до рівнів, прийнятних для споживачів.

Принцип роботи трансформаторів Трансформатори складаються із залізного сердечника, оточеного первинною та вторинною обмотками. Коли подається висока змінна напруга, вона індукує струм у первинній обмотці, створюючи магнітний потік, який проходить через сердечник і індукує нижчу напругу у вторинній обмотці через різницю в витках котушки. Цей процес забезпечує ефективну передачу електричної енергії без прямого контакту між обмотками.

Трансформатор збільшує напругу з 220 до 660 В при 840 витках в первинній обмотці. Коефіцієнт перетворення розраховується як відношення витків первинної обмотки до витків вторинної обмотки, яке виявляється менше одиниці. Використовуючи це співвідношення, ми визначаємо, що у вторинній обмотці є 2520 витків.

Напруга і струм первинної і вторинної котушок Первинна обмотка підвищувального трансформатора підключена до джерела живлення змінного струму напругою 120 в.Вторинна котушка має напругу 2400 в і струм 2 а. нам потрібно знайти струм в первинній котушці, а також вхідну і вихідну потужність, припускаючи відсутність втрат енергії в трансформаторі.

Розрахунок вхідної та вихідної потужності Використовуючи задані напруги (120 В для входу, 2400 В для виходу) поряд з струмами (2а), ми можемо розрахувати обидві вхідні потужності (4800 Вт), використовуючи формулу P1 = u1*i1, де u1 = 120 В і i1 =40А; аналогічно вихідна потужність також буде дорівнює 4800 Вт, використовуючи P2 = u2*формула I22.

Ефективність трансформатора ККД трансформатора визначається відношенням вихідної потужності до вхідної потужності, вираженим у відсотках. Його можна розрахувати за формулою: ККД (%) = (Вихідна потужність / вхідна потужність на вході) * 100%. Ефективність трансформатора має вирішальне значення для мінімізації втрат енергії при передачі електроенергії.

Втрати і застосування Трансформатори відчувають втрати енергії під час роботи, особливо в підвищувальних або понижуючий трансформаторах. Ці втрати можуть бути зменшені за рахунок поліпшення конструкції трансформаторів. Крім того, трансформатори не можна підключати до джерел постійного струму через їх характер змінного струму. Розуміння ефективності трансформатора має важливе значення для оптимізації енергоспоживання в різних областях застосування.