Основные теоретические положения. Трансформатор был изобретен в 1876 году знаменитым русским электро-техником П.Н

Трансформатор был изобретен в 1876 году знаменитым русским электро-техником П.Н. Яблочковым и в дальнейшем усовершенствован русским изобретателем П.Ф. Усагиным.

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, преобра-зующий посредством магнитного поля электрическую энергию переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

По числу фаз трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные трансформаторы предназначены в основном для бытовых нужд – трансформаторы радиотелеаппаратуры, бытовых машин и т.д. Трехфазные трансформаторы – это силовые трансформаторы, используемые в системах энергоснабжения для увеличения пропускной способности линий электропередачи и уменьшения потерь мощности в проводах.

По числу обмоток трансформаторы делят на двухобмоточные и многообмоточные.

Трансформаторы могут быть понижающими (напряжение вторичной обмотки ниже напряжения первичной, сетевой обмотки), повышающими (напряжение вторичной обмотки выше напряжения первичной обмотки) и разделительными (напряжение вторичной обмотки равно напряжению первичной обмотки).

Трансформатор состоит из двух или большего числа взаимно непод-вижных и электрически не связанных между собой обмоток, располагаемых на ферромагнитном сердечнике.

Сердечник (магнитопровод) трансформатора увеличивает магнитный поток и усиливает магнитную связь между обмотками.

Для уменьшения потерь мощности от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердечник собирают из отдельных пластин электро-технической стали. Толщина пластин 0,35 – 0,5 мм, их изолируют друг от друга путем покрытия изолирующими пленками. Электротехническая сталь характеризуется узкой петлей гистерезиса и большим электрическим сопротивлением, что уменьшает потери мощности в трансформаторе на гисте-резис.

Иногда в трансформаторах сердечник может отсутствовать. Такие трансформаторы называются воздушными. Они применяются в специальных случаях при преобразовании переменных токов высокой частоты.

Рисунок 6.1 – Электромагнитная схема однофазного трансформатора

На рисунке 6.1 представлена электромагнитная схема однофазного трансформатора, где 1 – сердечник, 2 – первичная обмотка, 3 – вторичная обмотка.

Обмотки трансформаторов выполняются в виде катушек из изолиро-ванных медных или алюминиевых проводов круглого или прямоугольного сечения. Они имеют между собой магнитную связь, осуществляемую магнитным полем. Обмотка трансформатора, присоединяемая к источнику электрической энергии, называется первичной и имеет W₁ витков; обмотка, к которой подключается потребитель электрической энергии, называется вторичной и имеет W₂ витков. Обмотки трансформатора рассчитываются для подключения к сетям с разными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением – обмоткой низшего напряжения (НН).

Действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмотки определяют по формулам:

(6.1)

(6.2)

Отношение ЭДС обмоток, равное отношению чисел витков, называют коэффициентом трансформации:

(6.3)

Коэффициент нагрузки трансформатора:

(6.4)

Полная мощность, потребляемая однофазным трансформатором при номинальной нагрузке:

(6.5)

Номинальный ток первичной и вторичной обмоток однофазного трансформатора:

I_1Н = (6.6)

I_2Н = (6.7)

Опыты холостого хода и короткого замыкания характеризуют работу силового трансформатора в предельных режимах нагрузки: при отсутствии нагрузки (I₂=0) и при номинальном токе вторичной обмотки (I₂=I_2н).

Опыт холостого хода проводится при подведении к первичной обмотке номинального напряжения, а цепь вторичной обмотки разомкнута (I₂ = 0).

Опыт холостого хода проводят для экспериментального определения потерь холостого хода – Р₀, тока холостого хода – I₁₀, коэффициента трансформации – k, а также параметров схемы замещения.

Первичное напряжение создает в первичной обмотке ток холостого хода I_10. У трансформаторов ток холостого хода составляет 1-10% от первичного номинального тока при полной загрузке трансформатора.

Основные потери в трансформаторе имеют две составляющие электрические потери в обмотках Р_меди и магнитные потери в сердечнике Р_стали.

При холостом ходе трансформатор потребляет из сети активную мощность Р₀. Ток холостого хода мал, величина, определяющая потери в меди первичной обмотки , ничтожно мала, потери в меди вторичной обмотки отсутствуют, так как ток в ней I₂₀ равен нулю. Поэтому электрические потери в обмотках трансформатора при холостом ходе можно принять равными нулю Р_меди=0. При холостом ходе в трансформаторе имеются только магнитные потери в сердечнике Р₀.=Р_стали. Потери в сердечнике при ƒ=const пропорциональны В², а так как , .

Опыт холостого хода – это один из двух обязательных контрольных опытов при заводском испытании готового трансформатора, он используется как элемент технического контроля.

Коротким замыканием называется режим работы трансформатора, при котором первичная обмотка подсоединена к сети, а выводы вторичной обмоткизамкнуты накоротко или на очень малое сопротивление. Следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания.

При проведении опыта короткого замыкания напряжение U₁ на первичной обмотке трансформатора плавно повышается от нуля до тех пор,

пока токи I₁ и I₂ обмоток трансформатора станут равными номинальным токам.

Напряжение короткого замыкания составляет 5-10% у трансформаторов высокого напряжения и 3-5% у трансформаторов низкого напряжения от номинального напряжения первичной обмотки. Эта величина является важнейшей характеристикой силовых трансформаторов. Напряжение короткого замыкания обычно приводится в процентах:

% (6.8)

На основании величины напряжения короткого замыкания определяются изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке.

Мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, идет на покрытие электрических потерь в проводниках обмоток, так как потери в сердечнике будут незначительными.

Опыт короткого замыкания имеет важное практическое значение, так как из него определяются потери мощности в обмотках, напряжение короткого замыкания, параметры схемы замещения.

Опыт короткого замыкания может служить контрольным опытом для определения коэффициента трансформации. Величину напряжения короткого замыкания u_к используют при расчете тока короткого замыкания трансформатора в условиях эксплуатации.

Короткое замыкание при номинальном первичном напряжении является аварийным режимом, при котором токи в обмотках достигнут величин, превышающих номинальные в 10-15 раз. Такие токи опасны для трансфор-матора, так как внутри трансформатора выделяется большое количество тепла, что может вызвать его разрушение. Возможны также случаи, когда вследствие повреждения межвитковой изоляции накоротко замыкается один или несколько витков обмотки. Подобные замыкания особенно опасны, так как ток в этих витках почти во столько раз больше тока при коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки, во сколько раз полное число витков W₁ первичной обмотки больше числа поврежденных витков. В результате интенсивного нагрева медь короткозамкнутых витков начинает плавиться, а изоляция обугливается.

Рабочим режимом трансформатора называется работа трансформатора при замкнутой вторичной обмотке на нагрузку.

КПД трансформатора, как и всякой другой машины, определяется отно-шением полезной мощности ко всей подведенной мощности. Он зависит от величины и характера нагрузки. Максимальный КПД трансформатора достигается при равенстве потерь в обмотках и в сердечнике трансформатора. У современных силовых трансформаторов , что дает , при нагрузке S = (0,5 – 0,7) S_Н. При такой средней нагрузке обычно работают силовые трансформаторы.

На рисунке 6.2 представлена внешняя характеристика трансформатора U₂=ƒ(I₂) и его рабочие характеристики =ƒ(I₂) и cos ƒ(I₂).

cosφ0 Рисунок 6.2 – Внешняя и рабочие характеристики трансформатора

Задание по работе

6.3.1 Изучить устройство и ознакомиться с паспортными данными одно-фазного трансформатора.

6.3.2 Провести опыт холостого хода и опыт короткого замыкания ис-следуемого трансформатора.

6.3.3 Осуществить режим нагрузки исследуемого трансформатора, вклю-чив в его вторичную цепь переменное активное сопротивление.

6.3.5 На основании полученных экспериментальных данных произвести определение основных параметров трансформатора.

6.3.6 Построить внешнюю характеристику и рабочие характеристики трансформатора в зависимости от нагрузки.

6.3.7 Составить краткие выводы по работе.

6.4 Объект и средства исследования

Исследование однофазного трансформатора проводится на лабораторном стенде. Питание стенда осуществляется от сети переменного тока через регулирующий автотрансформатор ЛАТР. Ток измеряется амперметром, напряжение - вольтметром, потери мощности - ваттметром.

Номинальные данные исследуемого трансформатора: номинальная мощность S_н=20 ВА, напряжение первичной обмотки U_1н=220 В, напряжение вторичной обмотки U_2н =48 В, потери мощности в стали Р₀=2,5 Вт, потери мощности в меди Р_к=1,5 Вт. Процентное значение тока холостого хода i₀=20%, процентное значение напряжения короткого замыкания u_к=5,5%.

6.5 Подготовка к выполнению работы

6.5.1 Пользуясь литературными источниками, указанными в списке лите-ратуры, конспектом лекций изучить раздел «Трансформаторы» дисциплины «Электротехника, автоматика и ТСА».

6.5.2 По номинальным данным рассчитать номинальные токи трансфор-матора.

6.5.3 Начертить электрические схемы включения трансформатора для проведения опытов холостого хода, короткого замыкания, работы трансфор-матора под нагрузкой, таблицы для занесения результатов опытов.

6.5.4 Записать необходимые расчетные формулы.

6.6 Методические указания по выполнению работы и обработке результатов эксперимента

6.6.1 Ознакомиться с электроизмерительными приборами и оборудова-нием стенда, используемыми при выполнении лабораторной работы.

6.6.2 В соответствии со схемой (рисунок 6.3), собрать электрическую цепь для проведения опыта холостого хода трансформатора и показать ее для проверки преподавателю.

6.6.3 После проверки подключить собранную цепь в сеть, ЛАТРом плавно подать на первичную обмотку номинальное напряжение U_1н, произвести измерения, результаты записать в таблицу 6.1.

6.6.4 По результатам измерений, проведенных в опыте холостого хода, вычислить: коэффициент трансформации k, коэффициент мощности , параметры намагничивающего контура, процентное значение тока холостого хода i₀ по нижеследующим формулам:

, (6.9)

, (6.10)

, (6.11)

, (6.12)

, (6.13)

(6.14)

6.6.5 В соответствии со схемой (рисунке 6.4), собрать электрическую цепь для проведения опыта короткого замыкания трансформатора и показать ее для проверки преподавателю.

6.6.6 После проверки подключить электрическую цепь в сеть. ЛАТРом плавно подать на первичную обмотку напряжение U_1к, при котором токи в обмотках достигнут номинальных значений I_1к=I_1н, I_2к=I_2н. Произвести измерения, результаты записать в таблицу 6.2.

6.6.7 По результатам измерений опыта короткого замыкания вычислить: сопротивления короткого замыкания, коэффициент мощности cos , активные сопротивления обмоток r₁, r₂, реактивные сопротивления обмоток Х₁, Х₂, аварийный ток короткого замыкания , процентное значение напряжения короткого замыкания u_к по нижеследующим формулам:

, (6.15)

, (6.16)

, (6.17)

, (6.18)

, (6.19)

, (6.20)

, (6.21)

, (6.22)

(6.23)

6.6.8 В соответствии со схемой (рисунок 6.5), собрать электрическую цепь для проведения опыта нагрузки исследуемого трансформатора. В качестве нагрузки к зажимам вторичной обмотки подключить реостат (cos ). Показать собранную цепь для проверки преподавателю.

6.6.9 После проверки подключить электрическую цепь в сеть, установить ЛАТРом на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U_1н. Изменяя сопротивление реостата, произвести измерения: тока в первичной обмотке I₁, напряжения на вторичной обмотке U₂ и потребляемой мощности Р₁ при различных токах нагрузки I₂. При проведении опыта напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора не изменять. Результаты измере-ний записать в таблицу 6.3.

6.6.10 По результатам измерений опыта нагрузки определить: коэффици-ент мощности cos , коэффициент нагрузки трансформатора , активную мощ-ность потребителя электроэнергии Р₂, коэффициент изменения напряжения на вторичной обмотке , КПД по нижеследующим формулам:

, (6.24)

, (6.25)

Р₂=U₂ I₂ cos , (6.26)

, (6.27)

. (6.28)

6.6.11 По расчетным и измеренным данным испытаний построить внешнюю характеристику U₂=ƒ(I₂), рабочие характеристики трансформатора: =ƒ(I₂), cos ƒ(I₂).

Таблица 6.1 – Результаты измерений опыта холостого хода

трансформатора

Измерения	Вычисления
U10, В	U20, В	P0, Вт	I10, А	k -	r0, Ом	Z0, Ом	X0, Ом	cosφ0	i0, %

Таблица 6.2 – Результаты измерений опыта короткого замыкания

трансформатора

Измерения

Вычисления

U1к, В

I1н, А

I2н, А

PK, Вт

rк, Ом

Zк, Ом

Xк, Ом

r1, Ом

X1, Ом

r2, Ом

X2, Ом

cosφ1к

uк, %

I1к, А

Таблица 6.3 – Результаты измерений опыта работы трансформатора

под нагрузкой

Номер измерений	Измерения	Вычисления
U1, В	U2, В	P1, Вт	I1, А	I2, А	β	γ	η	соsφ1	P2, Вт

Рисунок 6.3 – Электрическая схема для проведения опыта холостого хода

исследуемого трансформатора

Рисунок 6.4 – Электрическая схема для проведения опыта короткого

замыкания исследуемого трансформатора

Рисунок 6.5 – Электрическая схема для проведения опыта нагрузки

исследуемого трансформатора

6.7 Отчетный материал

6.7.1 Электрические схемы для проведения опытов.

6.7.2 Формулы для расчетов.

6.7.3 Таблицы с результатами измерений и вычислений.

6.7.4 Характеристики трансформатора, построенные в масштабе.

6.7.5 Основные выводы, полученные в результате исследования.

6.8 Контрольные вопросы

6.8.1 Поясните назначение трансформатора.

6.8.2 Укажите основные конструктивные узлы трансформатора и объяс-ните принцип его действия.

6.8.3 Как и с какой целью проводится опыт холостого хода трансфор-матора?

6.8.4 Что называется коэффициентом трансформации трансформатора и как его практически определить?

6.8.5 Почему при опыте холостого хода можно пренебречь потерями мощности в обмотках трансформатора?

6.8.6 Как и с какой целью проводится опыт короткого замыкания транс-форматора?

6.8.7 Почему при опыте короткого замыкания можно пренебречь поте-рями мощности в сердечнике трансформатора?

6.8.8 Что такое напряжение короткого замыкания?

6.8.9 Что называется рабочим режимом трансформатора?

6.8.10 Как экспериментально определяется КПД трансформатора?