Вибір проблеми. Постановка цілей і задач дослідження.

В даній курсовій роботі розглядається тема «Радіоелементи: індуктивності та комутуючі пристрої». Як відомо, технічне завдання – сформульовані умови усунення технічних протиріч для досягнення поставленої мети.

Перед учнями ставиться задача установки й вмілої заміни різного типу індуктивних елементів та комутуючих пристроїв. Як окремий випадок розглядається трансформатор у даній курсовій роботі.

Трансформа́ тор — пристрій, що використовується для зміни напруги й сили змінного струму.

Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. Передача електроенергії відбувається з меншими втратами при високій напрузі й малій силі струму. Тому зазвичай лінії електропередач високовольтні. Водночас побутові й промислові машини вимагають високої сили струму й малої напруги, тому перед споживанням електроенергія перетворюється в низьковольтну.

Трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обмоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку,

де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.

У реальних трансформаторах енергія не передається від первинного кола до вторинного без втрат. Існує низка фізичних причин, що їх зумовлюють.

Однією з причин втрат є активний опір обмоток. При протіканні струму через трансформатор, він нагрівається і віддає тепло оточенню. При високій частоті опір збільшується завдяки скін-ефекту та ефекту близькості, які зменшують площу перерізу провідника, через який протікає струм.

Ще одна причина втрат - перемагнічування осердя завдяки гістерезису. Ці втрати для конкретної речовини осердя пропорційні частоті й залежать від пікового потоку магнітного поля через осердя.

Інше причина втрат - струми Фуко. Змінне магнітне поле в осерді породжує змінне вихрове електричне поле, яке викликає додаткові вихрові струми, що теж призводять до нагрівання. Для зменшення струмів Фуко осердя виготовляють із тонких пластинок, оскільки втрати, пов'язані зі струмами Фуко, обернено квадратично залежать від товщини матеріалу.

Частина енергії втрачається на механічні коливання. Феромагнітний матеріал осердя розширюється і стискається у змінному магнітному полі завдяки явищу магнітострикції. Цим пояснюється гудіння трансформатора, що супроводжує його роботу. Додатково, первинна й вторинна обмотка притягаються й відштовхуються у змінному магнітному полі, змушуючи також коливатися і корпус трансформатора.

Магнітний потік, що виходить за межі осердя, сам по собі не призводить до втрати енергії, але він може призводити до появи вихрових струмів Фуко в металевих деталях корпусу й кріплення, що теж зумовлює невеликі втрати енергії.

Загалом, великі трансформатори мають високий коефіцієнт корисної дії, до 98 %. Трансформатори з надпровідних матеріалів можуть збільшити цей коефіцієнт до 99, 85 %.

Втрати у трансформаторах залежать від навантаження. Втрати без навантаження зумовлені в основному опором обмоток, тоді як причиною втрат при повному навантаженні зазвичай є гістерезис та вихрові струми. Втрати при відсутності навантаження можуть бути значними, тому навіть, якщо до вторинної обмотки нічого не підключено, трансформатори повинні задовольняти умовам економної роботи. Конструювання трансформаторів із малими втратами вимагає великого осердя, високоякісної електричної сталі, товстіших провідників, що збільшує початкові затрати, але окупається при експлуатації.

Втрати енергії в трансформаторі призводять до його перегріву. Для запобігання перегріву використовують цілий ряд організаційних та конструкторських рішень:

- передбачають радіатори для кращого відтоку тепла;

- передбачають кучери для продуву обмоток;

- забезпечують номінальні струм та напругу на обмоках трансформатора;

- зменшують струми Фуко за рахунок подрібнення осердя на ізольовані одна від одної пластини та інше.

Здатність трансформатора витримувати перенапругу

Трансформатори повинні пройти певні випробування електричної міцності ізоляції перед випуском із заводу. Проходження таких випробувань свідчить про ймовірність безперебійної експлуатації трансформатора.

Випробування описані в міжнародних та національних стандартах.

Трансформатори, котрі пройшли випробування, підтверджують високу надійність експлуатації.

Додатковою умовою високого степеня надійності є забезпечення прийнятних обмежень перенапруги, так як трансформатор в процесі експлуатації може перебувати під дією більш серйозної напруги.

Таким чином, метою даної курсової роботи є створення умов для активізації інтуїції учнів. Задача курсової роботи – організувати не просто передачу знань від викладача до учнів, а вказати шлях пошуку вирішення проблеми.

Описавши ієрархію рішення даної проблеми, а саме рівні рішень та їх зміст, отримані варіанти рішень візуалізуємо у вигляді «дерева рішень», де в корені представлена поставлена проблема, а варіанти її рішення вказані у вигляді окремих гілок зі своїми перевагами та недоліками.