Обработка экспериментальных данных

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы – определение параметров схемы замещения трансформатора, его внешней и рабочих характеристик.

Состав экспериментальной установки

Установка для исследования однофазного трансформатора собрана на универсальном учебно-исследовательском стенде и включает модуль питания, модуль однофазного трансформатора, модуль амперметров переменного тока, модуль мультиметров. Дополнительно используются не входящие в состав стенда лабораторный автотрансформатор ЛАТР (рисунок 1.1) и ваттметр Д5064 (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1.ЛАТР

Рисунок 1.2. Ваттметр Д5064

Программа работы

Внеаудиторная подготовка к работе в лаборатории.

1.1. Используя конспекты лекций, учебники и учебные пособия [1-3], настоящие методические указания, а также доступный справочный материал:

- изучить принцип действия однофазного трансформатора;

- ознакомиться с электрическими схемами экспериментов:

а) опыта холостого хода (рисунок 1.3),

б) опыта короткого замыкания (рисунок 1.4),

в) опыта определения внешних и рабочих характеристик (рисунок 1.5).

1.2. В процессе подготовки к работе в лаборатории найти ответы на контрольные вопросы настоящих методических указаний.

1.3. Подготовить таблицы, необходимые при выполнении лабораторной работы.

Рисунок 1.3. Электрическая схема опыта холостого хода

Рисунок 1.4. Электрическая схема опыта короткого замыкания

Рисунок 1.5. Электрическая схема снятия внешней характеристики трансформатора

Работа в лаборатории

2.1. Перед началом работы следует ознакомиться с номенклатурой электрооборудования, необходимого для испытания трансформатора, поскольку при проведении лабораторных исследований используются не только модули стенда.

Записать паспортные данные исследуемого трансформатора, указанные в приложении 1.

ПРИМЕЧАНИЕ: паспортные данные приведены не полностью.

2.2. Сборка лабораторной установки.

Для выполнения лабораторного задания необходимо произвести соединения модулей проводами, показанными на схемах проведения экспериментов жирными линиями.

2.3. Провести опыт холостого хода трансформатора, для чего собрать электрическую цепь в соответствии со схемой проведения опыта (рисунок 1.3) и схемой соединения модулей, изображенной на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6. Электрическая схема соединений модулей стенда для опыта холостого хода

Убедиться, что ручка регулировки ЛАТРа находится в крайнем левом положении (против часовой стрелки до упора) на отметке 0.

Установить переключатель напряжений ваттметра в положение U=300 В и использовать клемму амперметра I=0,5 А, тогда предел измерения ваттметра составит P=150 Вт.

В качестве вольтметра V1 использовать стрелочный вольтметр переменного тока с пределом измерения U_1~=250 В из модуля вольтметров.

В качестве амперметра A1 использовать цифровой мультиметр 2, при этом его переключатель перевести в положение измерения переменного тока с пределом измерения I_1~=200 мА.

В качестве вольтметра V2 использовать цифровой мультиметр 1, при этом его переключатель перевести в положение измерения переменного напряжения с пределом измерения U_2~=20 В.

После проверки собранной электрической цепи преподавателем включить автоматический выключатель в модуле питания.

Установить с помощью ЛАТРа и вольтметра V1 номинальное напряжение первичной обмотки U_1Н=220 В.

Измерить потребляемую трансформатором мощность Р_1х, ток первичной обмотки I_1х и напряжение на вторичной обмотке трансформатора U₂₀. Данные измерений занести в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Результаты измерений	Результаты вычислений
(В)	I1х,(мA)	P1х, (Вт)	(В)		(Ом)	(Ом)	(Гн)

Перевести ручку регулировки ЛАТРа в исходное положение (на отметку 0) и отключить источник в модуле питания.

2.4. Провести опыт короткого замыкания, для чего собрать электрическую цепь в соответствии со схемой проведения опыта (рисунок 1.4) и схемой соединения модулей, изображенной на рисунке 1.7.

В качестве амперметра A2 использовать цифровой мультиметр 1, при этом его переключатель перевести в положение измерения переменного тока с пределом измерения I_2~=20 А и поменять гнездо подключения с «V» на «20А».

ВНИМАНИЕ! Перед включением ЛАТРа в сеть необходимо убедиться в том, что ручка регулирования выходного напряжения повернута против часовой стрелки до упора и находится на отметке 0, что соответствует минимальному напряжению на выходе ЛАТРа.

Рисунок 1.7. Электрическая схема соединений модулей стенда для опыта короткого замыкания.

Пригласить преподавателя для проверки правильности сборки цепи.

После включения источника выключателем модуля питания, осторожно вращая ручку ЛАТРа по часовой стрелке, установить такое напряжение на входе трансформатора, при котором ток вторичной обмотки будет равен номинальному I_2Н=2,4 А. Измерить входное напряжение ,ток первичной обмотки и мощность , потребляемую трансформатором. Результаты измерений занести в таблицу 1.2.

Перевести ручку регулировки ЛАТРа в исходное положение (на отметку 0) и отключить источник в модуле питания.

Таблица 1.2

Результаты измерений

Результаты вычислений

(В)

(мA)

(Вт)

(A)

(Ом)

(Ом)

(Ом)

(Ом)

(Ом)

(Гн)

(Гн)

(%)

(A)

2,4

2.5.Для получения внешней характеристики трансформатора при резистивной нагрузке собрать цепь в соответствии со схемой проведения опыта (рисунок 1.5) и схемой соединения модулей, изображенной на рисунке 1.8.

В качестве вольтметра V2 использовать цифровой мультиметр 1, при этом его переключатель перевести в положение измерения переменного напряжения с пределом измерения U_2~=20 В и изменить гнездо подключения на «V».

В качестве амперметра A2 использовать стрелочный амперметр переменного тока с пределом измерения I_2~=2 А из модуля амперметров переменного тока.

После проверки преподавателем правильности сборки цепи включить источник в модуле питания и с помощью ЛАТРа установить номинальное входное напряжение U_1Н=220 Вна первичной обмотке трансформатора.

Рисунок 1.8. Электрическая схема соединений модулей стенда для снятия внешней и рабочих характеристик трансформатора.

Изменяя сопротивление нагрузки от максимального R₂=∞ до минимального R₂=3 Ом, измерить токи первичной и вторичной обмоток, мощность на входе трансформатора и напряжение вторичной обмотки . Результаты измерений занести в таблицу 1.3.

Вернуть ручку регулировки ЛАТРа в исходное положение, отключить питание лабораторной установки выключателем модуля питания, разобрать электрическую цепь.

Таблица 1.3

Результаты измерений	Результаты вычислений
R2 (Ом)	(В)	(мA)	(Вт)	(В)	(A)	(Вт)	(%)	cos j1	S1 (ВА)
∞

Обработка экспериментальных данных

3.1. Пользуясь методическими указаниями, по результатам экспериментов провести необходимые расчеты и занести полученные данные в соответствующие таблицы.

3.2. По данным таблиц 1.1 и 1.2 определить параметры элементов поперечной и продольной ветвей схемы замещения трансформатора (приведенного и обычного). Нарисовать схему замещения трансформатора и указать параметры ее элементов. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

3.3. По данным таблицы 1.3 построить внешнюю характеристику U₂(I₂) и рабочие характеристики Р₁(I₂), I₁(I₂), h(I₂), cosj₁(I₂). Проанализировать графики. Объяснить уменьшение напряжения на выходе трансформатора при увеличении тока нагрузки. Определить значение коэффициента нагрузки b_m, при котором кпд трансформатора достигает максимального значения. Сделать выводы.

Методические указания

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии с одними значениями параметров (напряжения и тока) в электрическую энергию с другими значениями параметров (напряжения и тока).

Коэффициент трансформации определяется соотношением числа витков первичной W₁ и вторичной W₂ обмоток

.

Если K_тр>1, трансформатор – понижающий,

а если K_тр<1, трансформатор – повышающий.

Исследуемый однофазный трансформатор предназначен для понижения входного напряжения и гальванического разделения источника энергии и нагрузки.

Для анализа работы трансформатора используется Т-образная электрическая схема замещения, показанная на рисунке 1.9. При этом поперечная ветвь может быть представлена как последовательным соединением активного сопротивления и индуктивности (рис. 1.9, а), так и параллельным (рис. 1.9, б).

Определение параметров элементов схемы замещения проводится в опытах холостого хода и короткого замыкания.

Из опыта холостого хода определяются коэффициент трансформации и параметры элементов поперечной ветви схемы замещения, характеризующих активное сопротивление (R_m или R_m) и индуктивность (L_m или L_m) сердечника.

а) б)

Рисунок 1.9. Т-образные схемы замещения трансформатора

Коэффициент трансформации определяется по формуле:

,

где U_1н – номинальное напряжение первичной обмотки, U₂₀ – напряжение вторичной обмотки трансформатора, работающего в режиме холостого хода.

Модуль полного входного сопротивления трансформатора, работающего в режиме холостого хода, может быть определен из закона Ома:

Z₀ =U_1н / I_1х ,

где I_1х= I₀ - ток холостого хода.

Активное и индуктивное сопротивления последовательной поперечной ветви схемы замещения при учете, что Х_m>>Х₁ (где Х_m =wL_m, Х₁=wLs₁), определяются по формулам:

,

R_m=R₀-R_1,

, ,

где Р_1х»Р_с – мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, характеризующая потери в сердечнике;

R₁ – активное сопротивление первичной обмотки (определяется из опыта короткого замыкания).

При представлении схемы замещения согласно рисунку 1.9, б, значения активного R_m и индуктивного Х_m сопротивлений вычисляются через найденные значения R_m и X_m:

,

.

Последнее позволяет определить значение индуктивности L_m

_,

где f=50 Гц – частота питающего напряжения.

По результатам опыта короткого замыкания определяются параметры элементов продольной ветви схемы замещения, характеризующие активные сопротивления (R₁ и R₂) и индуктивности рассеяния (L_s1 и L_s2) первичной и вторичной обмоток, относительное значение напряжения короткого замыкания и ток короткого замыкания при номинальном напряжении.

Модуль входного сопротивления трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания, может быть найден из уравнения:

,

где U_1к – напряжение на первичной обмотке трансформатора, соответствующее номинальному значению тока вторичной обмотки I_2н (и, естественно, номинальному току первичной обмотки I_1н) при закороченных вторичных обмотках.

Учитывая, что сопротивление продольной ветви значительно меньше сопротивлений поперечной ветви, активное и индуктивное сопротивления продольной ветви схемы замещения определяются по традиционным уравнениям:

,

,

где Р_1к » Р_пн ‑ мощность, потребляемая трансформатором в режиме короткого замыкания, характеризующая номинальные потери в проводах обмоток.

На практике трансформаторы рассчитываются таким образом, чтобы нагревание обмоток происходило равномерно, поэтому в Т – образной схеме замещения приведенного трансформатора сопротивление продольных ветвей считают равными, т.е.

Активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки реального трансформатора определяются с учетом коэффициента трансформации:

,

Найденные значения Х₁ и Х₂ позволяют определить индуктивности рассеяния первичной L_s1 и вторичной L_s2 обмоток трансформатора:

, .

Опыт короткого замыкания проводится при пониженном входном напряжении, которое обычно выражается в процентах к номинальному:

_.

Последняя величина позволяет определить ток короткого замыкания первичной обмотки при номинальном напряжении:

_.

Значение I_1к используется при выборе элементов защиты мощных трансформаторов от короткого замыкания в цепи нагрузки.

Работа трансформатора под нагрузкой характеризуется внешней U₂(I₂) и рабочими P₁(I₂), I₁(I₂), h(I₂), cos j₁(I₂) характеристиками, где U₂, I₂ – напряжение и ток вторичной обмотки; Р₁‑ потребляемая активная мощность; I₁ ‑ ток первичной обмотки; h ‑ коэффициент полезного действия; cos j₁ ‑ коэффициент мощности (показывает, какая часть электрической энергии необратимо преобразуется в другие виды энергии и, в частности, используется на выполнение полезной работы) при произвольной нагрузке.

Значения h и cos j₁ вычисляются по формулам

,

,

где Р₂ = U₂ I₂ cos j₂ – полезная мощность (при активной нагрузке, как в лабораторной работе, cos j₂= 1);

S₁= U₁ I₁ – полная мощность трансформатора.

Внешняя характеристика трансформатора U₂(I₂) описывается выражением

U₂ = U₂₀(1-dU),

где dU = b(U_кacosj₂- U_кxsinj₂);

b=I₂/I_2н – коэффициент нагрузки;

U_кa, U_кx – соответственно, активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания;

j₂ – угол сдвига фаз между напряжением (U₂) и током (I₂) вторичной обмотки, зависит от характера нагрузки.

Вид внешней характеристики при активном характере нагрузки показан на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10	Рисунок 1.11

Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от нагрузки

,

где P_c – потери в сердечнике,

P_пн – номинальные потери в обмотках;

P_2н – номинальная полезная мощность.

Вид зависимости кпд трансформатора от коэффициента нагрузки h(b) показан на рисунке 1.11.

При расчете трансформаторов стремятся обеспечить, чтобы максимальное значение h_max достигалось при значениях b=0,6...0,7, поскольку большую часть времени они работают при нагрузке от 60 до 70% от номинальной.

Контрольные вопросы

1 Что такое трансформатор?

2 Как определяется коэффициент трансформации и от чего зависит его значение?

3 Как и для чего проводится холостого хода?

4 Как и для чего проводится опыт короткого замыкания?

5 Что характеризует активная мощность, измеряемая в опыте холостого хода?

6 Что характеризует активная мощность, измеряемая в опыте короткого замыкания?

7 Какие величины измеряются, а какие – рассчитываются при проведении опыта холостого хода?

8 Какие величины измеряются, а какие рассчитываются при проведении опыта короткого замыкания?

9 Что такое внешняя характеристика трансформатора? Почему ее вид зависит от характера нагрузки?

10 Как определяется коэффициент нагрузки трансформатора b? Каким режимам работы трансформатора соответствуют его минимальное и максимальное значения?

11 Как определяется кпд трансформатора? Какие составляющие потребляемой трансформатором мощности?

12 Какой вид имеет зависимость кпд трансформатора от нагрузки?

13 Почему у трансформаторов максимальный кпд обеспечивается не при номинальной нагрузке?

14 Что характеризуют элементы схемы замещения трансформатора?

15 Какие условия должны выполняться при приведении вторичной обмотки трансформатора?

16 Почему на сердечнике трансформатора обмотки высшего и низшего напряжений размещают на общем стержне?

17 Напишите уравнение МДС трансформатора.

18 Начертите схему замещения трансформатора.

19 Начертите векторные диаграммы трансформатора для случаев нагрузки его чисто активным и активно-индуктивным сопротивлениями.

20 Начертите схему опыта холостого хода трансформатора и объясните, какие величины определяются в этом опыте.