Схема замещения трансформатора

ВВЕДЕНИЕ

Данное методическое пособие к лабораторным работам составлено применительно к учебным программам курса "Электромеханика" для студентов факультетов: электромеханического, энергетики и промышленной электроники. Так как для различных специальностей для выполнения лабораторных работ по курсу "Электромеханика" отводится различное число часов, то их перечень и содержание программы определяются лектором каждого курса.

Лабораторные работы выполняются с целью экспериментального подтверждения теоретических положений курса, знакомства с конструкциями и методами испытаний электрических машин.

Каждая лабораторная работа выполняется в течение 4 академических часов и требует примерно 4 часа домашней самостоятельной подготовки. Перед выполнением цикла лабораторных работ студентам рекомендуется ознакомиться с общими методическими указаниями к выполнению и оформлению лабораторных работ.

Домашняя подготовка. В процессе домашней подготовки необходимо внимательно ознакомиться с описанием соответствующей лабораторной работы, необходимо ясно представлять ее цель. Для этого следует изучить теоретический материал, связанный с выполнением данной работы; подготовить протокол лабораторной работы с принципиальными схемами и таблицами для занесения результатов экспериментальных исследований. Желательно в бланках протокола изобразить ожидаемые кривые графиков, которые в общем виде характеризуют исследуемую электрическую машину.

Выполнение работы. Для выполнения лабораторных работ студенты на первом занятии разбиваются на бригады. К очередной лабораторной работе допускаются только студенты, которые защитили предыдущую лабораторную работу. Каждый студент за время прохождения лабораторного цикла должен освоить все элементы техники эксперимента: сборка схемы, проведение опытов, снятие показаний приборов и т.д. Поэтому выполняемые обязанности в бригаде на каждой лабораторной работе следует менять.

Выполнение лабораторной работы начинается со сборки схемы. Она производится в следующем порядке: вначале собирается "токовая" цепь, состоящая из последовательно включенных элементов (источник питания, амперметры, обмотки электрических машин, нагрузочные сопротивления). Затем к соответствующим точкам цепи подсоединяются параллельные цепи (вольтметры, параллельные обмотки возбуждения машины постоянного тока и т.п.).

При сборке схемы нужно избегать по возможности перекрещивания проводов и на один зажим присоединять не более трех проводов. После того как схема собрана, следует переключатели пределов измерительных приборов установить в положения, соответствующие наибольшим пределам измерений, рукоятку регулировочного автотрансформатора (РНТ) поставить в нулевое положение. Собранную схему показать преподавателю.

Только после проверки собранной схемы преподавателем и с его разрешения можно включить собранную схему под напряжение.

Экспериментальные исследования начинаются с проведения пробного включения лабораторной установки. При этом необходимо произвести все манипуляции данного опыта и проверить, как изменяется регулируемый параметр машины (напряжение, частота вращения, ток и т.д.), не отклоняются ли стрелки приборов в противоположном направлении и не выходят ли за пределы. При необходимости исправить замеченные недостатки и только после этого приступить к проведению эксперимента.

Отсчеты по всем измерительным приборам по возможности рекомендуется производить одновременно. Показания приборов следует записать в заранее заготовленные таблицы, отмечая лишь число делений измерительных приборов и пределы измерений. Никаких пересчетов показаний на другие единицы во время опыта делать нельзя.

По окончании эксперимента, не разбирая схемы, выполняют все необходимые расчеты и показывают преподавателю. В зависимости от правильности этих результатов преподаватель дает указание либо на повторение эксперимента, либо на переход к следующему.

Оформление отчета. По каждой выполненной работе составляется отчет. Отчет должен иметь титульный лист, на котором указывается наименование университета и кафедры, наименование работы, фамилия и инициалы студента, номер группы.

В отчете должны быть приведены паспортные данные исследуемых электрических машин, схемы экспериментальных установок и все результаты экспериментов. Отчет составляется в том порядке, в каком проводились эксперименты. Каждый пункт отчета снабжается заголовком. Схемы и таблицы вычерчиваются только по линейке. В отчете должны быть приведены все использованные расчетные формулы.

Графики следует вычерчивать на миллиметровке размером 210х297 мм. Масштабы для построения характеристик нужно выбирать так, чтобы единице на графике (1 см) соответствовали 1; 2; 5; 10; 100, а не 3; 7; 6,5 и т.д. единиц измеряемой величины. Характеристики сначала необходимо проводить от руки, а после этого обводить по лекалу. Не следует проводить кривую через все точки, а нужно провести плавную кривую таким образом, чтобы примерно одинаковое количество точек легло по обе стороны кривой. Характеристики должны быть построены тонкими линиями. Опытные точки должны быть специально обозначены.

Измерительный комплект. Для измерения мощности, токов и напряжений в лаборатории машин переменного тока используются измерительные комплекты К-50 и К-505. Измерительный комплект содержит амперметр, вольтметр и однофазный ваттметр, размещенные в общем корпусе. Приборы снабжены переключателями диапазонов измерения и переключателями фаз. Четыре входных зажима, расположенные слева, должны быть подключены к источнику электроэнергии переменного тока. На некоторых приборах они имеют соответствующую маркировку.

На вольтметр и обмотку напряжения ваттметра подается фазное напряжение сети. Поэтому вольтметр измеряет фазное напряжение сети ( в раз меньше напряжения между линейными проводами), ваттметр - мощность, приходящуюся на одну фазу. Для определения полной мощности (например, потребляемой асинхронным двигателем или трансформатором) нужно измерить мощность каждой из трех фаз и результаты измерений просуммировать (алгебраически). Амперметр измеряет ток в линейном проводе.

Ни в коем случае не следует путать фазное напряжение сети, измеряемое вольтметром измерительного комплекта, с напряжением на фазе (одной из трех обмоток) трехфазного двигателя или трансформатора. Вольтметр непосредственно измерил бы напряжение на фазе (если симметрия не нарушена) только в случае соединения обмотки в звезду.

Нагрузочные устройства для электродвигателей. Для механической нагрузки электродвигателей в лаборатории электрических машин применяют несколько видов тормозных устройств, позволяющих регулировать и измерять величину нагрузочного (противодействующего) момента на валу двигателя. Наиболее удобным и надежным в работе является электромагнитный тормоз. Основными частями такого тормоза являются металлический диск, укрепленный на валу тормоза и электромагниты. Стальной диск помещается между полюсными наконечниками электромагнитов, укрепленных на корпусе тормоза, который может свободно поворачиваться в подшипниках. При питании катушек электромагнитов постоянным током создается магнитное поле, индуктирующее во вращающемся диске вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем возникает момент, величина которого регулируется путем изменения тока в катушках электромагнита. Этот момент действует как на диск, тем самым создавая нагрузку на валу двигателя, так и на корпус тормоза. Для уравновешивания момента, действующего на корпус, служит груз, укрепленный на рычаге, соединенном с корпусом. Величина момента измеряется по величине отклонения указателя-стрелки, прикрепленной к корпусу и перемещающейся относительно неподвижной шкалы. Шкала градуируется в Нм.

Полезный вращающий момент, создаваемый двигателем, можно определить также с помощью нагрузочной машины постоянного тока, работающей в режиме генератора. В проводимых экспериментальных исследованиях сделано допущение, что к.п.д. исследуемого двигателя и к.п.д. нагрузочного генератора одинаковы. При этом полезная мощность на валу двигателя с достаточной точностью определяется следующим образом:

,

где Р₁ - мощность, потребляемая двигателем и определяемая по ваттметру

измерительного комплекта (сумма мощностей всех фаз),

Р_ГПТ - полезная мощность генератора постоянного тока, определяемая по

показаниям амперметра и вольтметра в цепи нагрузочного реостата

.

Величина вращающего момента

.

- угловая частота вращения ротора двигателя,

n - частота вращения ротора [об/мин].

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока (ГОСТ 16110-70).

Работа трансформатора основывается на принципе электромагнитного взаимодействия двух или в общем случае любого числа контуров, неподвижных относительно друг друга.

При анализе работы трансформатора будем иметь в виду, однофазный или трехфазный трансформатор с симметричной магнитной системой и с симметричной нагрузкой. В таком трёхфазном трансформаторе процессы можно рассматривать только в одной фазе. Для усиления электромагнитной связи между обмотками служит сердечник трансформатора, собранный из листовой электротехнической стали.

Анализ работы трансформатора в любом режиме основывается на уравнениях ЭДС первичной и вторичной обмоток и уравнении МДС

где U₁ – первичное напряжение; U₂ – вторичное напряжение; Е₁, Е₂ – ЭДС взаимной индукции первичной и вторичной обмоток; I₁, I₂ – токи первичной и вторичной обмоток; r₁, r₂ – активные сопротивления фаз первичной и вторичной обмоток; х₁, х₂ – индуктивные сопротивления фаз первичной и вторичной обмоток; w₁, w₂ – число витков соответствующих обмоток; I₀ – намагничивающий ток.

При качественной оценке работы трансформатора ввиду относительной малости r₁ и х₁ падение напряжения I₁(r₁+jx₁) в диапазоне до номинальных нагрузок мало, можно считать, что Е₁»U₁.

В свою очередь, ЭДС Е₁ пропорциональна основному магнитному потоку Ф₀. Поэтому значение потока определяется в основном первичным напряжением

.

При холостом ходе трансформатор потребляет из сети такой ток I₀=I₁, который нужен для создания необходимого при данном напряжении U₁ потока. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки в этой обмотке возникает ток I₂. Вторичная МДС I₂w₂ создает в магнитопроводе свой поток. Однако, результирующий поток (поток, созданный первичной и вторичной обмотками) существенно измениться не может, т.к. зависит от первичного напряжения U₁. Поэтому первичная обмотка будет потреблять из сети, кроме намагничивающего тока I₀, дополнительный ток, такой, что создаваемая им МДС уравновесила МДС I₂w₂.

В общем случае w₂¹w₁, т.е. Е₂¹Е₁, I₂¹I₁, что затрудняет количественный учет процессов, происходящих в трансформаторе, построение векторных диаграмм, особенно при больших коэффициентах трансформации. Чтобы избежать этих затруднений, делают приведение вторичной обмотки трансформатора к первичной. Тогда уравнения приведённого трансформатора имеют вид:

Аналитическое исследование трансформатора упрощается, появляется возможность трансформатор, обмотки которого связаны электромагнитно, заместить схемой, элементы которой связаны между собой только электрически.

Схема замещения трансформатора

Лабораторная работа № 1