ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте посредством электромагнитной индукции.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного магнитопровода и уложенных на его стержнях двух или нескольких обмоток. Магнитопровод трансформатора для снижения потерь на вихревые токи собирают из тонких, изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Двухобмоточный трансформатор имеет обмотку высшего напряжения (ВН с большим числом витков и обмотку низшего напряжения (НН) с меньшим числом витков. Обмотка, к которой подводится электрическая энергия, называется первичной, а обмотка, от которой отводится электрическая энергия к приемнику, называется вторичной

Конструктивная схема двухобмоточного трансформатора показана на рис.1.

При подключении первичной обмотки к источнику синусоидального тока с напряжением U₁ по ней пойдет электрический ток i₁(t), который создаст в магнитопроводе основной магнитный поток F(t). Переменный магнитный поток F(t), замыкаясь по магнитопроводу, пронизывает обе обмотки и в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. Их мгновенные значения определяются выражениями:

где W₁, W₂ – числа витков первичной и вторичной обмоток.

ЭДС е₁(t) уравновешивает приложенное напряжение U₁(t), а действие ЭДС е₂(t) приводит к появлению на зажимах вторичной обмотки напряжения U₂(t), а при подключении нагрузки к протеканию в ней тока i₂,(t). Таким образом, посредством магнитного поля осуществляется передача электрической энергии от первичной цепи ко вторичной.

Режим работы трансформатора без нагрузки, т.е. при разомкнутой вторичной обмотке (Z_н = ∞, I₂ = 0) называется холостым ходом трансформатора.

Действующие значения ЭДС в первичной и вторичной обмотках определяются выражениями:

где Ф_m – амплитудное значение магнитного потока, Вб;

f – частота переменного тока, Гц.

Одним из основных параметров трансформатора является коэффициент трансформации n, определяемый как отношение напряжения на обмотке ВН к напряжению на обмотке НН при холостом ходе трансформатора

n = U_вн,х / U_нн,х

В данной лабораторной работе исследуется понижающий трансформатор, у которого обмоткой ВН является первичная обмотка, поэтому, учитывая, что в режиме холостого хода U₁ = E₁ и U_ZX = E_Z для него справедливо выражение

Ток, проходящий по первичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода, называется током холостого хода I_1X. Его часто выражают в процентах от номинального тока I_1НОМ:

Для силовых трансформаторов величина I_1X% составляет обычно 1-10%.

Процесс преобразования энергии в трансформаторе сопровождается электрическими и магнитными потерями.

Магнитные потери – это потери энергии на перемагничивание магнитопровода и нагревание его вихревыми токами. Величина магнитных потерь при фиксированной частоте зависит только от значения магнитной индукции в магнитопроводе, которая в свою очередь определяется направлением, приложенным к первичной обмотке, и, следовательно, не зависит от нагрузки. Мощность магнитных потерь ΔP_M примерна равна активной мощности, потребляемой трансформатором из сети в режиме холостого хода, т.е.

ΔP_M = Р_X.

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод трансформаторов избирают из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали, что повышает сопротивление для вихревых токов. Снижение потерь на перемагничивание требует применения для магнитопровода материала с узкой петлей гистерезиса.

Электрическиепотери – это потери энергии ив нагревание обмоток трансформатора, проходящими по ним таком. Мощность электрических потерь ΔP_Э, может быть определена по экспериментальным данным специального опыта, называемого опытом короткого замыкания.

∆P_Э = β²P_K,

где β = I₂ / I_2НОМ – коэффициент нагрузки;

Р_К – активная мощность, потребляемая трансформатором при опыте
короткого замыкания.

Она может быть найдена также аналитически (при известных значениях активных сопротивлений обмоток трансформатора):

Таким образом, мощность суммарных потерь можно найти по формуле

(3)

Полезная мощность Р₂ , передаваемая нагрузке, отличается от потребляемой из сети мощности Р₁ на величину суммарных потерь, т.е.

Важным экономическим показателем является коэффициент полезного действия (КПД ) трансформатора

(4)

У силовых трансформаторов КПД достаточно высок и достигает величин порядка 0,95...0,99 .

При изменении нагрузки КПД незначительно меняется (β > β*)

График зависимости КПД от тока нагрузки представлен на рис.2.

.

Изменение нагрузки влечет за собой, также изменение вторичного напряжения U_Z. Это связано с тем, что рост токов в обмотках трансформатора вызывает увеличение падений напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях обмоток. Зависимость напряжения на вторичной обмотке от тока нагрузки U₂(I₂) называется внешней характеристикой трансформатора. При активном и активно-индуктивном характере нагрузки напряжение U₂ с ростом тока нагрузки будет уменьшаться.

Рис. 2

Рис. 3

График внешней характеристики U₂(I₂) имеет вид, представленный на рис.3. Изменение вторичного напряжения ∆U₂ при данном I₂ можно выразить в процентах от напряжения U_2Х

,

где ∆U₂ = U_2Х – U₂.

При номинальной нагрузке величина ∆U_2% составляет обычно несколько процентов.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

В лаборатории № ___ объектом исследования является однофазный трансформатор, нагрузкой для которого служит ламповый реостат. В лаборатории № 239 объект исследования – одна фаза трёхфазного трансформатора, в качестве нагрузки используется жидкостный реостат. Трансформаторы расположены в нижней части стенда (в ауд. № 239 на полу). Начала и концы обмоток трансформаторов подключены к зажимам, расположенным на щитке.

Маркировка зажимов для однофазного трансформатора:

- обмотка высшего напряжения: начало – А, конец – Х;

- обмотка низшего напряжения: начало – а, конец – х.

Маркировка зажимов для трёхфазного трансформатора:

- обмотка высшего напряжения: начало – А, В, С; конец – X, Y, Z;

- обмотка низшего напряжения: начало – а, b, с; конец – х, у, z.

Электроизмерительные приборы размещены на лицевой панели стенда.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Внимательно ознакомиться с конструкцией трансформатора. Найти на клеммном щитке зажимы начал и концов обмоток ВН и НН.

2. Записать в табл.1 (прил. А) паспортные данные трансформатора.

3. Собрать электрическую цепь, схема которой представлена на рис. 5 (прил. А). В качестве нагрузки Z_н в лаборатории № 224 используется ламповый реостат, а в лаборатории № 239 – жидкостный реостат. Переключатели пределов ваттметра установить: для тока 5А для напряжений 300 В.

4. Для исследования режима холостого хода трансформатора в ламповом реостате отключить все лампы, а в жидкостном реостате вынуть пластины из воды. Амперметр А₁ должен обеспечивать измерение тока холостого хода.

4.1. После проверки преподавателем правильности сборки электрической цепи подать напряжение на стенд, нажав кнопку "Пуск" на торцевой панели стенда, и с помощью регулятора напряжения установить номинальное значение напряжения U_1НОМ (220 В).

4.2. Подключить к сети первичную обмотку трансформатора, нажав кнопку "Пуск" на передней панели стенда. В режиме холостого хода замерить ток I_1Х, активную мощность Р_Х и напряжение на вторичной обмотке U_Х. Результаты записать в твбл.2 (прил. А).

5. Для исследования трансформатора в режиме нагрузки отключить трансформатор от сети, нажав кнопку "Стоп" на передней панели стенда. Заменить амперметр А₁ на прибор, позволяющий измерить номинальное значение первичного тока I_1НОМ. Амперметр А₂ должен быть рассчитан на измерение I_2НОМ.

5.1. Исследовать работу трансформатора в режиме нагрузки для чего, отключив трансформатор из сети, увеличивать нагрузку, включая лампы, в ламповом реостате или погружая пластинки в воду в жидкостном реостате. По мере увеличения нагрузки до номинального режима снимать показания амперметров А₁ и А₂, ваттметров W и вольтметра V₂ и записывать их в табл.З.

5.2. Выключить все лампы или вытащить пластины из воды и снять напряжение со стенда, нажав кнопку "Стоп" на торцевой панели.

6. Согласовать с преподавателем полученные результаты и разобрать электрическую цепь.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. По данным режима холостого хода рассчитать коэффициент трансформации трансформатора n по формуле (1) и относительную величину (в процентах) тока холостого хода I_1X% по формуле (2). Записать полученные результаты в табл.4 (прил. A).

2. Для каждого из опытов режима нагрузки вычислить мощность суммарных потерь ∆Ρ_Ζ по формуле (3) и КПД трансформатора η по формуле (4). Результаты записать в табл.5 (прил. А).

3. На рис. 6 построить внешнюю характеристику трансформатора U₂ = f(I₂), а на рис. 7 зависимость КПД от тока нагрузки η = f(I₂) по данным табл.3 и 5.

4. Для номинальной нагрузки вычислить процентное изменение вторичного напряжения U_1НОМ по формуле (5). Результат занести в табл.4 прил. А.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как устроен однофазный трансформатор?

2. В чем заключается принцип работы трансформатора?

3. Что называется коэффициентом трансформации трансформатора?

4. От чего зависят ЭДС, индуктируемые в обмотках трансформатора?

5. Что такое ток холостого хода и какова его величина?

6. Какие потери энергии имеют место в трансформаторе и как их определить?

7. Каким образом можно добиться снижения потерь энергии в магнитопроводе трансформатора?

8.Что такое КПД трансформатора и как он зависит от нагрузки?

9. Как зависит напряжение на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки и почему?

10. С какой целью проводят опыты холостого хода и нагрузки?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Электротехника /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985.-С.237-240, 243-248,.251-252, 253-256.

2. Волынский В.А., Зойн Б.Н., Шатерников ВЛ. .Электротехника.: Энергоатомиздат, 1987. – С.295- 2, ЗО9-317.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ОТЧЁТ