Потери мощности и КПД трансформатора

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями на нагрев сердечника и обмоток. Уравнение баланса активных мощностей при этом имеет вид:

,

где – активная мощность первичной обмотки;

– активная мощность нагрузки.

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение полезной мощности к потребляемой :

.

КПД мощных трансформаторов очень высок и разница величин и сравнима с погрешностью приборов, используемых для измерения мощности. Поэтому определение величин рекомендуется проводить расчетным путем (косвенный метод), используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания.

При постоянстве напряжений питающей сети и его частоты магнитный поток практически не зависит от величины тока нагрузки. Поэтому потери в стали , определяемые величиной индукции магнитного потока, при нагрузке равны потерям холостого хода. Это постоянные потери (рис. 3).

Потери в обмотках определяются величиной тока нагрузки и будут переменными потерями. Их можно определить по мощности опыта короткого замыкания следующим образом:

, (6)

где - коэффициент нагрузки трансформатора.

При выводе (6) учтено, что при достаточно больших токах нагрузки .

Активная мощность нагрузки:

, (7)

где – полная мощность трансформатора в номинальном режиме.

Подставляя (6), (7) в (5), получим:

. (8)

График зависимости КПД трансформатора от коэффициента нагрузки приведен на рис. 3. Функция имеет максимум при , т. е. когда постоянные потери в стали становятся равными переменным потерям в меди .

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки приведена на рис. 4. Установка содержит исследуемый однофазный трансформатор, амперметры и для измерения тока первичной и вторичной обмоток, вольтметры и для измерения напряжений в первичной и вторичной цепи, ваттметр для измерения активной мощности трансформатора.

С помощью переключателя П9 на вторичную обмотку подается или номинальное напряжение , или пониженное напряжение для испытания трансформатора в режиме короткого замыкания. С помощью переключателей П2-П8 регулируется сопротивление нагрузки от холостого хода до номинального значения. Для более точного измерения напряжения на первичной обмотке в режиме короткого замыкания предел измерения вольтметра равен 0 – 15В.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Исследование трансформатора в режиме холостого хода.

Установить переключатель П9 в положение «Сх 1». Отключить нагрузку (П2-П8 выключены). Включить трансформатор в сеть (включатель П1). Записать показания приборов в таблицу 1.

2. Исследование трансформатора при работе на активную нагрузку.

Установить переключатель П9 в положение «Сх 1». Включить П1. Постепенно увеличивать ток нагрузки (включая П2-П8), произвести 7 измерений параметров и записать результаты в таблицу 1.

3. Исследование трансформатора в режиме опытного короткого замыкания.

Установить переключатель П9 в положение «Сх 2». Включить П10. Записать показания приборов в таблицу 1.

Таблица 1

Режим работы	Номер опыта	Измеряемые величины	Расчетные величины
Холостой ход
Нагрузка
Короткое замыкание								-		-

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Дать перечень применяемого оборудования с указанием марки прибора, класс точности и системы измерения. Указать пределы измерения приборов.

2. Начертить схему экспериментальной установки.

3. По данным опыта холостого хода рассчитать коэффициент трансформации и . Результат занести в таблицу 1.

4. По данным опыта с нагрузкой рассчитать ; , где , так как нагрузка чисто активная. Результат занести в таблицу 1.

5. По данным опытов холостого хода и короткого замыкания рассчитать КПД по формуле (8). При нахождении в качестве необходимо взять максимальное значение тока из результатов опыта с нагрузкой. Результат занести в таблицу 1.

6. Построить графики зависимостей , , , .

7. Сделать выводы о проделанной работе.

ВОПРОСЫ К ДОПУСКУ

1. Какова цель работы?

2. Что называется коэффициентом трансформации?

3. Как определить коэффициент трансформации экспериментально?

4. Как проводится опыт короткого замыкания и что можно определить по его результатам?

5. Как проводится опыт холостого хода и что можно определить по его результатам?

6. Что называется внешней характеристикой трансформатора и как ее экспериментально определить?

7. Как определяется КПД трансформатора прямым и расчетным методом?

8. Почему опыт короткого замыкания проводится при пониженном напряжении и как выбирается это напряжение?

9. Объяснить назначение переключателей и приборов стенда.

ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ

1. Для каких целей служит трансформатор, какова его конструкция?

2. Объяснить принцип работы трансформатора.

3. Вывести уравнение намагничивающих сил трансформатора.

4. Объяснить ход графика зависимости .

5. Объяснить ход графика зависимости .

6. Объяснить ход внешней характеристики трансформатора.

7. Составить уравнение баланса мощностей трансформатора.

8. Почему используется косвенный метод определения КПД?

9. От чего зависит ЭДС обмоток трансформатора?

10. Какие потери называются постоянными, и чем они определяются?

11. Какие потери называются переменными и от чего они зависят?

12. Как экспериментально определить потери в меди?

13. Как экспериментально определить потери в стали?

Учебное издание