Исследование однофазного трансформатора

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Практическое усвоение приемов лабораторного исследования однофазного трансформатора и определение его параметров.

Необходимо:

- проделать опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора;

- исследовать работу трансформатора под нагрузкой;

- определить параметры трансформатора;

- по опытным и расчетным данным построить графики;

- составить отчет о проделанной работе.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Трансформатор предназначен для преобразования электрической анергии переменного тока одного напряжения в электрическую энер­гию переменного тока другого напряжения той же частоты. Однофазный трансформатор состоит из магнитопровода и двух обмоток, электрически изолированных друг от друга: первичной (вход) и вторичной (выход). Обмотки расположены на общем ферромагнитном сердечнике и связаны между собой общим магнитным потоком Φ(рис.4.1), замыкающимся по магнитопроводу (сердечнику).

В реальном трансформаторе кроме основного потока Φ есть еще так называемые потоки рассеяния Φ_p1 и Φ_p2 Они связаны (пересе­кают витки) с витками обмоток W₁ и W₂ соответственно и замыкают­ся частично через магнитопровод (сердечник) и частично через воз­дух. Эти потоки определяют потери в трансформаторе.

Различают три основных режима работы трансформатора: режим холостого хода, режим короткого замыкания, режим работы трансформатора под нагрузкой.

При режиме холостого хода (XX) к первичной обмотке трансфор­матора подведено напряжение U₁, соответствующее его номинальному значению (U₁ = U_ном), а вторичная обмотка трансформатора разомкнута, т.е. ток I₂= 0. При этом ток в первичной обмотке трансформатора достигает значения I_1X =(5...8) %I_1ном.

Физика явлений в трансформаторе при холостом ходе следующая.

Синусоидальное напряжение U₁, приложенное к первичной обмот­ке, вызывает появление переменного тока I_1Xв этой обмотке. Ток создает намагничивающую силу I_1XW₁ первичной обмотки, которая соз­дает в магнитопроводе переменный магнитный поток.

Изменяясь по синусоидальному закону, поток Ф, пересекая витки обмоток W₁ и W₂ , наводит в них ЭДС:

;

где W₁и W₂ - соответственно число витков первичной и вторичной обмоток.

Действующие значения ЭДС e₁ и e₂ соответственно равны

;

где f -частота питающего напряжения первичной обмотки;

Ф_m - амплитудное значение потока Ф.

Аналогично потоки рассеяния Φ_p1 и Φ_p2, пересекая витки W₁ и W₂, наводят в них

;

Отношение

называют коэффициентом трансформации. Коэффициент трансформации при режиме XX можно также вычислить по формуле

Уравнение, описывающее состояние трансформатора при холостом ходе, может быть записано в комплексной форме:

, где:

r₁ - активное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

X_1p - индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформа­тора, определяемое потоком рассеяния Φ_p1 ;

- комплексное значение ЭДС первичной обмотки;

I_1X - ток в первичной обмотке трансформатора при режиме XX.

В режиме холостого хода вся подводимая к первичной обмотке трансформатора мощность расходуется на компенсацию потерь в маг­нитопроводе (потери в стали), так как при этом режиме ток во вто­ричной обмотке равен 0, а ток в первичной обмотке составляет лишь 5...8% от I_1НОМ .

При работе трансформатора под нагрузкой по вторичной обмотке его протекает ток I₂(ключ К1 на рис.4.1 замкнут), а на первичную обмотку, как и при холостом ходе, подано напряжение U₁=U_1НОМ.

Магнитный поток Φ в этом случае будет создаваться намагничи­вающими силами обеих обмоток трансформатора.

ВАЖНО ЗАПОМНИТЬ! Всегда от режима XX до полной нагрузки трансформатора намагничивающая сипа первичной обмотки I_1XW₁ должна оставаться постоянной (то есть Φ должен оставаться const).

Тогда

При работе трансформатора под нагрузкой уравнения в комп­лексной форме, описывающие процессы в нем, имеют вид:

;

;

где

r₂ - активное сопротивление вторичной обмотки;

X_p2-индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, определяемое потоком рассеяния.

При режиме короткого замыкания (КЗ) выводы (клеммы) вторичной обмотки замкнуты накоротко. Режим короткого замыкания бывает эксплуатационным и опытным. Эксплуатационный режим КЗ может при­вести к серьезным повреждениям трансформатора за счет больших по величине токов, возникающих в обмотках (при поданном на первичную обмотку U₁=U_1НОМ).

Опытное КЗ, как и режим XX, проводят для определения парамет­ров трансформатора. Обязательное условие при проведении опыта КЗ - на первичную обмотку трансформатора подают такое пониженное напряжение U_1X, при котором ток в первичной и вторичной обмотках достигает своего номинального значения.

Обычно

При режиме короткого замыкания подводимая к первичной обмотке трансформатора мощность расходуется на нагревание проводов пер­вичной и вторичной обмоток (потери в меди), так как потери в магнитопроводе при незначительном U₁ напряжении составляют не­значительную величину.

Параметры трансформатора (коэффициент трансформации, потери в стали и проводах, сопротивления обмоток и т.д.) определяют по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

Исследование работы трансформатора в рабочем режиме под на­грузкой позволяет получить данные для построения его внешней ха­рактеристики и определения коэффициента его полезного действия.

3. ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Провести опыт холостого хода (ХХ).

2. Провести опыт короткого замыкания (КЗ).

3. Провести испытание трансформатора под нагрузкой.

4. Рассчитать параметры трансформатора.
5. Построить графики зависимостей.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА (XX)

1. Проконтролировать: ключи К1 и К2 выключены, В1 выклю­чен. Движок ЛАТРа - в крайнем левом положении.

2. Подать напряжение на лабораторный стенд, установив выклю­чатель В1 в положение "Вкл.".

3. Вращая движок ЛАТРа по часовой стрелке, установить напряже­ние на первичной обмотке трансформатора U₁=U_1НОМ=220В.

4. Снять по показаниям приборов: I_1X (ток в первичной обмотке), Р_1Х(мощность в первичной обмотке) и U₂ (напряжение на вторичной обмотке).

Показания занести в таблицу 4.1.

5. Привести лабораторную установку в исходное положение (риc.4.2)

ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ (КЗ)

1. Проконтролировать: ключи К1, К2, выключатель В1 находятся в положении "Выкл.". Движок ЛАТРа - в крайнем левом положении.

2. Ключи К1 и К2 замкнуть.

3. Подать напряжение на лабораторный стенд, установив В1 в положение "Вкл.".

4. Вращая движок ЛАТРа по часовой стрелке добиться, чтобы прибор А1 показал значение номинального тока первичной обмотки.

5. Снять показания приборов, соответствующих I_1K - току в первичной обмотке, U_1K- напряжению на первичной обмотке, P_1K - мощности в первичной обмотке, I_1K - току во вторичной обмотке. Показания приборов записать в табл.4.2.

6. Привести лабораторную установку в исходное положение.

ИСПЫТАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ

1. Проконтролировать: ключи К1, К2, выключатель В1 находятся в положении "Выкл.". Движок ЛАТРа – в крайнем левом положении.

2. Подать напряжение на лабораторный стенд, установив выклю­чатель В1 в положение "Вкл.".

3. Вращая движок ЛАТРа по часовой стрелке, установить по прибору напряжение на первичной обмотке трансформатора U_1НОМ=220В.

4. Снять показания приборов и записать значения I₁,I₂,P₁,U₂ в табл.4.3.

5. Замкнуть ключ К1. Уменьшая реостатом сопротивление R_Н,тем самым. увеличивая ток I₂ , для 3...4 значений I₂ снять по пока­заниям приборов значения I₁,P₁,U₁ и записать их в табл. 4.3.

6. Привести установку в исходное положение.

Расчеты в таблицах произвести по формулам:

для XX:

- полное сопротивление первичной обмотки

- активное сопротивление первичной обмотки

Таблица 4.1

Измерено	Вычислено
U1	I1Х	P1X	U2X	Z	r1	X1	K	Cos φX
B	А	Вт	В	Ом	Ом	Ом

Таблица 4.2

Измерено	Вычислено
I1K	U1K	P1X	I2K	ZКЗ	rКЗ	XКЗ	Cos φКЗ
А	В	Вт	А	Ом	Ом	Ом

Таблица 4.3

Измерено	Вычислено
I1	I2	P1	U2	P2	Рпот	Cos φ1	η
А	А	Вт	В	Вт	Вт

- реактивное сопротивление первичной обмотки

- коэффициент трансформации

- коэффициент мощности

для КЗ:

- полное сопротивление трансформатора

- активное сопротивление трансформатора

- индуктивное сопротивление трансформатора

- коэффициент мощности

По данным рабочего режима:

- мощность, потребляемая приемником электрической энергии

( ) -активная нагрузка;

- коэффициент мощности трансформатора

- коэффициент полезного действия трансформатора

- мощность потерь

По данным таблиц в выбранном масштабе строятся графики за­висимостей.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

1. Цель работы.

2. Электрическая схема лабораторной установки.

3. Таблицы наблюдаемых и вычисленных величин.

4. Эквивалентная схема замещения трансформатора с указанием значений параметров.

5. График зависимостей U₁,η,cosφ,P₂,P₂=f(I₂)

6. Краткие выводы по работе.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое трансформатор? Где применяются трансформаторы?

2. Почему трансформаторы применяются лишь в цепях переменно­го тока?

3. Объяснить устройство и принцип действия однофазно­го трансформатора.

4. Нарисовать эквивалентную схему замещения трансформатора.

5. Что такое коэффициент трансформации?

6. Как проводят опыт XX трансформатора и какие парамет­ры трансформатора определяют при этом?

7. Как определить активные и индуктивные сопротивления об­моток трансформатора?

8. Как проводится опыт КЗ трансформатора и чем он отличает­ся от эксплуатационного КЗ?

9. Какие параметры схемы замещения определяются из опыта КЗ?

10. Как определяется КПД трансформатора?

11. Какие потери энергии существуют в трансформаторе и от чего они зависят?

12. Что такое внешняя характеристика трансформатора?

13. Как зависит внешняя характеристика от характера нагрузки трансформатора ?

Лабораторная работа №5