II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
В современном мире, с растущими показателями потребления и как следствие - ограниченными энергоресурсами, стремительные обороты набирает развитие технологий добычи энергии из альтернативных, возобновляемых источников. К таким источникам относятся, в первую очередь, солнечная и ветровая энергии, геотермальное тепло, энергия морских волн и приливов.
Сегодня альтернативные источники энергии уже широко используются для решения проблем энергоснабжения не только в промышленных масштабах, но и в частном секторе. Доступность технологий получения энергии из неисчерпаемых источников позволяет строить энергонезависимые дома с экологически чистой инфраструктурой в удаленных районах и решать проблемы энергоснабжения уже существующих объектов. Наша работа освещает изучение физических явлений на более глубоком уровне. Новизна, актуальность и сложность данной научно-исследовательской работы была в том, что данная тема является неосновным, но с более детальным изучением данного явления в курсе физики, приобретенный опыт позволит использовать данный прибор для устройства дополнительного и аварийного освещения непосредственно в темных помещениях, при этом получив аварийное и дополнительное освещение.
В своей работе мы использовали различные источники информации (научная и учебная литература, Интернет). Проводя эксперимент, мы пришли к выводу, что, используя в своих опытах устройство аварийного и дополнительного освещения можно использовать в экстренных случаях, когда нет электричества, использовав повышающий преобразователь напряжения, чтобы использовать обычные лампы сети 220 вольт. Оригинальность нашей работы была в создании модели по схеме, в интеграции предметов (физики, электротехники, экологии). Создав модель и проводя эксперименты, мы более глубоко изучили техническое содержание темы, более детально изучили некоторые физические явления (альтернативные источники энергии). То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой. Знания и умения, которые мы получили в ходе работы с измерениями оставили огромный след в нашей жизни и чувство эстетического наслаждения. То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой.
Преобразователь напряжения
Простейший преобразователь напряжения состоит из стального сердечника и двух обмоток - первичной с числом витков w1 и вторичной с числом витков w2. Если к первичной обмотке преобразователь напряжения подвести переменное синусоидальное напряжение, то из-за нелинейной магнитной характеристики ферримагнитного сердечника ток в этой обмотке преобразователя напряжения окажется несинусоидальным. Об этом несколько подробнее будет сказано ниже. Отметим, что при рассмотрении процессов в преобразователе напряжения несинусоидальные токи в его обмотках заменяются так называемой эквивалентной синусоидой — синусоидальным током, эквивалентным по действующему значению несинусоидальному. Это дает возможность применять к исследованиям и расчетам преобразователь напряжения теорию синусоидальных токов. Таким образом, преобразователь напряжения преобразует подведенное к нему напряжение в соответствии с соотношением числа витков его обмоток. Идеализированный преобразователь напряжения передает форму преобразуемого переменного напряжения без искажения. Получается векторная диаграмма идеального трансформатора.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЕЖЕНИЯ
В отличие от электрических машин, преобразователь напряжения не имеет движущихся частей, поэтому он не имеет и механических потерь при работе. К потерям, имеющим место при работе преобразователя напряжения, относятся потери на гистерезисе (в результате постоянного циклического перемагничивания сердечника), на вихревые токи и на нагревание проводов обмоток. Других потерь в преобразователе напряжения практически нет. Коэффициент полезного действия преобразователь напряжения — это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой. Таким образом, для практического определения КПД преобразователь напряжения при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. Это измерение можно значительно упростить, включив во вторичную обмотку активную нагрузку. Тогда поток рассеяния невелик и мощность Р2 может быть вычислена по показаниям амперметра и вольтметра, включенным во вторичную цепь. Такой метод определения КПД получил название метода непосредственных измерений. Этот метод весьма прост, но имеет два существенных недостатка: мала точность и он неэкономичен. Малая точность обусловлена тем, что КПД трансформаторов очень высок (до 99% и выше) и в некоторых случаях (особенно у преобразователя напряжения большой мощности) мощности Р2 и Р1 мало отличаются, поэтому незначительные ошибки в показаниях приборов повлекут за собой значительные искажения результата вычисления КПД. Неэкономичность этого способа состоит в большом расходе электроэнергии за время испытания, так как трансформаторы приходится нагружать до номинальных мощностей. Поэтому метод непосредственных измерений не нашел промышленного применения, но может быть использован для преобразователя напряжения малой мощности с небольшим КПД. На практике КПД преобразователя напряжения определяют косвенным методом, путем раздельного определения потерь, исходя из того, что КПД трансформатора можно представить так: η=Р2/P2+Pст+Рмгде Рст — потери в стали (в сердечнике) и Рм — потери в меди (в обмотках) измеряют в опытах холостого хода и короткого замыкания соответственно. Для определения потерь преобразователя напряжения обычно пользуются двумя опытами - опытом холостого хода и опытом короткого замыкания. В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку I подают номинальное напряжение, а вторичную II оставляют разомкнутой, определяют потери в стали преобразователя напряжения, потери на гистерезис и на вихревые токи. Эти потери зависят от частоты тока и от значения магнитного потока. Так как частота тока постоянна, а магнитный поток при номинальном напряжении на первичной обмотке также практически постоянен, то независимо от того, нагружен преобразователь напряжения или нет, потери в стали — для него величина постоянная. Таким образом, можно считать, что в холостом режиме энергия, потребляемая преобразователем напряжения из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным в первичную цепь. Правда, при этом не учитываются потери нагревания провода первичной обмотки током холостого хода. Но этот ток незначителен и потери от него также незначительны. В этом опыте определяется также коэффициент трансформации k и ток холостого хода. Если вторичную обмотку преобразователь напряжения замкнуть накоротко, а на первичную обмотку подать такое пониженное напряжение (в школьной практике, например, от Рмш), при котором токи в обмотках не превышают их номинальных значений, то энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора. В самом деле, при короткозамкнутой вторичной обмотке к первичной подводится пониженное напряжение, поэтому магнитный поток очень мал и потери в стали, зависящие от значения магнитного потока, также малы. Этот опыт называют опытом короткого замыкания. Следовательно, ваттметр, включенный в первичную цепь трансформатора в опыте короткого замыкания, покажет мощность, соответствующую потерям в меди.
Повышающий преобразователь напряжения.
Данный преобразователь предназначен для преобразования низковольтного постоянного напряжения от аккумуляторных батарей в высоковольтное напряжение. Именно это напряжение является конечным результатом разработанного и изготовленного устройства.
Цель работы: разработать и изготовить преобразователь для энергосберегающих ламп напряжением ~220 В, мощностью до 25 Вт, работающий от аккумулятора = 6 В с техническими параметрами:
1. Напряжение аккумулятора =6-7 В
2. Потребляемый ток от аккумулятора (в зависимости от мощности лампы) - до 5А
3. Выходное напряжение ~220 В.
4. Частота выходного напряжения 50-60 Гц.
Задачи:
1. Разработать и изготовить преобразователь с помощью симметричного генератора-мультивибратора.
2. Применить обычные готовые трансформаторы от бытовой радиоаппаратуры.
Гипотеза:
А можно ли применить модель повышающего трансформатора в устройство дополнительного освещения?
Методы:
• Эксперимент и наблюдение
• Сборка устройства по схеме, а также теоретический анализ научной литературы по данной проблеме.
Обычно преобразователь напряжения изготавливается по схеме блокинг-генератора с положительной трансформаторной обратной связью, с помощью которой и вырабатываются электрические импульсы через интервалы времени.
Однако блокинг-генератор при применении в преобразователе имеет недостатки:
1. Блокинг-генератор вырабатывает прямоугольные импульсы и получить «модернизированную синусоиду» вторичного высоковольтного напряжения, близкой к сетевой, довольно трудно.
2. Необходим специально изготовленный импульсный трансформатор.
Разработаем принципиальную электрическую схему, рис. 1. Мультивибратор выполним на транзисторах VT1-VT4. Для получения большей мощности и КПД соединим транзисторы по схеме составного транзистора. Время зарядной цепочкой являются резисторы R3, R4 и конденсаторы С1, С2, которые и задают частоту генерации мультивибратора. В качестве импульсного трансформатора Т1 используем готовый трансформатор от бытовой радиоаппаратуры (магнитофона, усилителя и т.д.) с первичным напряжением ~220 В и двумя вторичными напряжениями по ~6-9 В. Вторичные обмотки Т1 (II, III) соединяются последовательно ( можно применить трансформатор с вторичной обмоткой со средней точкой). Диоды VD1, VD2 защищают мощные транзисторы VT3, VT4 от возможных обратных импульсов при переходных процессах генерации. В схему введены конденсаторы фильтра С3, С4. Включается преобразователь с помощью тумблера SA1. По питанию в схему введен предохранитель FU1.
Конструкция.
Конструктивно преобразователь выполнен в виде стенда, фото 1.
Данный разработанный повышающий преобразователь напряжения, как рационализаторское предложение, внедрен в практическую научно-исследовательскую работу «Устройство аварийного освещения» Автор: Нагорная А. И., обучающаяся в Детском оздоровительно- образовательном центре г. Ельца, объединение: радиоконструирование и МБОУ Гимназия №11, 11 класс.
Преобразователь входит в общую конструкцию и изготовлен в виде стенда - наглядного работающего пособия для радиотехнических средних и высших учебных заведений, фото 2,3.
Фото 1.
Фото 2.
Фото 3.
Порядок работы
-
Поставить тумблеры в положение «Сеть», «Заряд аккумулятора».
-
Включить вилку в сеть переменного тока, загорается лампа.
-
Переключить первый тумблер в положение «Вкл. преобразователь».
-
Переключить второй тумблер в положение «Преобразователь», лампа будет работать от преобразователя.
-
Выключить вилку из сети. Лампа продолжит работу.
-
Поставить первый тумблер в положение «Сеть», второй – «Заряд аккумулятор» - исходное состояние.
Вывод:
Работа по разработанной схеме преобразователя содержит новизну и преимущество:
1. Вместо обычной схемы блокинг-генератора в преобразователе применена схема мощного мультивибратора, что позволило получить синусоиду высокого напряжения, близкую к сетевой, а, следовательно, увеличить КПД устройства (графики рис. 2, рис. 3)
2. В качестве импульсного трансформатора используется стандартный.
3. Данный разработанный повышающий преобразователь напряжения, как рационализаторское предложение, внедрен в практическую научно-исследовательскую работу «Устройство аварийного освещения» Автор: Нагорная А. И., обучающаяся в Детском оздоровительно- образовательном центре г. Ельца, объединение: радиоконструирование и МБОУ Гимназия №11, 11 класс.
Литература
-
Ишлинский А.Ю. «Новый политехнический словарь», издательство: М.: Большая Российская энциклопедия.
-
Кизлюк А.И. «Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и отечественного производства (Глава: диоды и транзисторы)», издательство: Библион.
-
Белкин В.Г., Бондаренко В.К. «Справочник радиолюбителя-конструктора», издательство: Москва, «Радио и связь»