Открытый урок по теме Устройство и принцип действия трансформаторов

Открытый урок по теме "Устройство и принцип действия трансформаторов и генераторов"
Тема урока: «Устройство и принцип действия трансформаторов».
Цели урока:
познакомить учащихся с устройством и принципом действия трансформаторов;
развивать навыки самостоятельной работы, логическое мышление, внимание;
воспитывать умение общаться в коллективе, культуру речи.
Тип урока: изучение нового материала.
Метод урока: комбинированный, репродуктивный.
Оборудование: таблицы, трансформаторы.
Межпредметные связи: физика, устройство и ремонт тепловоза, математика.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент
В начале урока учащиеся и учитель приветствуют друг друга, в журнале отмечаются отсутствующие.
II. Актуализация прежних знаний.
Повторение явления электромагнитной индукции, формулы закона электромагнитной индукции.
.
Проводится фронтальный опрос. За каждый правильный ответ учащиеся получают жетон, как во время фронтального опроса, так и во время всего урока. Набравшие 6 и более жетонов получают оценку «5», 4–5 – «4», 3 – «3».
Учащимся предлагается ответить на вопросы:
Как называется явление возникновения эдс в проводниках при изменении магнитного поля?
Вспомните формулу электромагнитной индукции.
Возможно ли возникновение эдс при постоянном магнитном потоке?
Может ли возникнуть ток в разомкнутом контуре?
Какие существуют способы усиления магнитных полей?
Что представляют собой вихревые токи?
В чём заключается их вредное действие?
Какие способы уменьшения вихревых токов?
III. Формирование новых понятий и способов действий.
Называю тему урока. Начинаю объяснять в форме лекции.
Трансформатором называется статический электромагнитный прибор, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.
Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах. Когда же и кто сконструировал это устройство?
Ученик делает небольшое сообщение:
«"Днем рождения" трансформаторов считают 30 ноября 1876 года, когда выдающийся русский электротехник и изобретатель Павел Николаевич Яблочков получил французский патент, в котором был описан принцип действия и способ применения трансформатора.Это открытие базировалось на достижениях и открытиях других русских ученых-электротехников: В. Петрова (1761-1834 гг.), Э. Ленца (1804-1865 гг.), Якоби Б.С. (1801-1874 гг.).В развитие и совершенствование конструкции трансформатора, предложенного П. Яблочковым, внесли вклад: русский инженер И. Усагин (1882 г.), англичане Горяр и Гиббс (1885 г.), венгерские инженеры Циперновский, Дери и Блати (1885 г.).Русский электротехник, создатель техники трехфазного тока М. Доливо-Добровольский в 1890 г. предлагает конструкцию трехфазного трансформатора, который в трехфазной сети позволит заменить три однофазных агрегата. Впоследствии значительную роль в совершенствовании и развитии конструкции трехфазных трансформаторов сыграли англичанин Ферранти, американец Дж. Вестингауз, серб Н. Тесла.Именно благодаря открытиям и достижениям отечественных ученых в России на рубеже XIX и XX веков была выбрана правильная программа — ориентировать дальнейшее развитие электроэнергетики на применение переменного тока высокого напряжения в противовес зарубежным концепциям в пользу постоянного тока и техники низких напряжений.Началом производства силовых трансформаторов в России можно считать ноябрь 1928 г., когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод). Вскоре продукция завода стала удовлетворять потребности страны в высоковольтных трансформаторах. Уже в предвоенный период завод выпускал мощные силовые трансформаторы напряжением до 220 кВ. Первые советские трансформаторы создавались по образцу трансформаторов фирмы Дженерал Электрик (США) и при участии ее консультанта.
После войны были построены новые предприятия и, прежде всего, Запорожский трансформаторный завод, Тольяттинский электротехнический завод и др. Вскоре эти два завода приняли на себя основную нагрузку по производству высоковольтных силовых трансформаторов для энергетики. Московский электрозавод стал все больше специализироваться на изготовлении силовых трансформаторов для электрических печей, шунтирующих реакторов всех классов напряжения, измерительных трансформаторов напряжения, регулировочных трансформаторов и др.
Изготовление силовых трансформаторов предельных мощностей постепенно сосредотачивалось на Запорожском трансформаторном заводе, а выпуск значительного количества трансформаторов небольшой мощности (до напряжения 20 кВ) — на Минском электротехническом заводе, построенном в конце 50-х годов.
После распада СССР значительное количество трансформаторных мощностей оказалось за пределами России.
Продолжаю объяснять.
На плакате изображена принципиальная схема трансформатора. Каждая обмотка трансформатора размещается на обоих стержнях сердечника так, что половины двух обмоток находятся на левом, а вторые половины – на правом стержне сердечника. При таком расположении обмоток достигается лучшая магнитная связь между ними, благодаря чему снижаются потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе трансформирования энергии.
Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, – вторичной.
Трансформаторы по своей конструкции бывают: стержневые, броневые, тороидальные, автотрансформаторы.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы.
Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если первичное напряжение больше вторичного – понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.
коэффициент трансформации, он определяет тип трансформатора.
Если k < 1 – трансформатор повышающий;
k > 1 – трансформатор понижающий.
Действующее значение эдс, возникающее в обмотках трансформатора равноE = 4,44fnФm.
Эта формула действительна как для первичной, так и для вторичной обмотки.
E1 = 4,44fn1Фm; E2 = 4,44fn2Фm.
Вопрос к учащимся: как можно визуально определить обмотку высшего и низшего напряжения?
ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи1, солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов.
1 В термобатареях используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов.

Напримep, разрабатываются так называемые топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно прекращается в электрическую.
Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.
Основную роль в наше время выполняют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.
В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.
Генератор переменного тока. Принцип действия генератора переменного тока уже был рассмотрен в § 31.
В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток (см. § 31).
Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле,
размещены в назах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшсим для увеличения потока вектора магнитной индукции.
В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (по без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно бьию бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.
В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в назах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки (рис. 5.2). Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным па том же валу.
В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.
IV. Закрепление
Чтобы закрепить полученные знания решаем задачи. К доске по желанию выходит ученик и решает предложенную задачу:
№1. Сколько витков во вторичной обмотке трансформатора 10000/100, если число витков первичной обмотки равно 21000? Определить коэффициент трансформации.
Дано:Решение:
U1=10000 B=210 В =100
U2=100 B
n1=21000Ответ: 100, 210B.
n2=?k=?
№2. Измерительный трансформатор напряжения имеет обмотки с числом витков n1 = 10000 и n2 = 200.К вторичной обмотке присоединен вольтметр с номинальным напряжением 150В. Определить коэффициент трансформации и предельное напряжение, которое можно измерить.
№3. Определить число витков вторичной обмотки трансформатора, если при магнитном потоке в магнитопроводе 10-3 Вб наведенная в ней эдс равна 220В при частоте 50Гц.
Вторая и третья задачи решаются учащимися самостоятельно (первые три человека, правильно решившие задачу, получают дополнительно жетон).
V. Домашнее задание
§37, 38. Подготовить рефераты о новых типах генераторов (инверторные, сварочные, с детонационным сгоранием топлива).
VI. Подведение итогов
В заключение характеризую работу группы, отмечаю отличившихся учащихся, выставляю оценки.