БЗ.В4 Электрические машины и аппараты

БЗ.В4 Электрические машины и аппараты

Лабораторный практикум

по разделу

Трансформаторы

Направлениеподготовки

140100 Теплоэнергетика и теплотехника

Профиль подготовки

Энергообеспечение предприятий

Квалификация (степень) выпускника

бакалавр

УФА 2013

УДК 621.313

ББК 31.261

Л 12

Рекомендовано к изданию методической комиссией энергетического факультета, протокол № 2 от « 25 » сентября 2013г.

Составители: д.т.н., профессор Аипов Р.С., ассистент Акчурин С.В.

Рецензент: д.т.н., профессор кафедры ЭПЭЭСХ Андрианова Л.П.

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой электрических машин и электрооборудования, д.т.н., профессор Аипов Р.С.

ОГЛАВЛЕНИЕ

	ВВЕДЕНИЕ
	Лабораторная работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
	Лабораторная работа № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
	Лабораторная работа № 3. НЕСИММЕТРИЧНАЯ НАГРУЗКА ТРЕХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
	БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум по разделу «Трансформаторы» дисциплины «Электрические машины и аппараты» предназначен для студентов очной и заочной форм обучения и призван способствовать освоению рабочей программы по указанной дисциплине.

Лабораторный практикум включает пять тем. Тематика лабораторных работ полностью соответствует содержанию рабочей программы дисциплины БЗ.В4 «Электрические машины и аппараты» для направления подготовки 140100 Теплоэнергетика и теплотехника.

Содержание лабораторного практикума направлено на углубленное изучение студентами наиболее важных модулей теоретического курса и включает: цель работы, программу работы, краткие теоретические сведения, описание лабораторной установки, порядок выполнения работы (последовательность действий с необходимыми методическими указаниями), требования к содержанию и оформлению отчета по работе, библиографический список.

Перед началом цикла лабораторных работ студенты проходят первичный инструктаж по технике безопасности согласно требованиям. Перед началом каждой лабораторной работы студенты проходят текущий инструктаж по технике безопасности, непосредственно на рабочем месте.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО

ТРАНСФОРМАТОРА

1 Цель работы

Экспериментальное определение основных параметров однофазного трансформатора и параметров его схемы замещения. Построение характеристик исследуемого трансформатора. Сравнение результатов опытов, полученных различным методом.

Программа работы

2.1 Ознакомление с работой, запись паспортных данных трансформатора и приборов.

2.2 Снятие характеристики холостого хода и опыта короткого замыкания трансформатора.

2.3 Экспериментальное определение внешней характеристики и к.п.д. исследуемого трансформатора.

2.4 Расчетное определение внешней характеристики и к.п.д. исследуемого трансформатора по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

2.5 Обработка полученных результатов, построение графиков.

2.6 Расчет параметров схемы замещения исследуемого трансформатора.

2.7 Формирование выводов и ответ на контрольные вопросы.

Экспериментальное и расчётное построение характеристик

Трансформатора

Для исследования трансформатора под нагрузкой переключатель SA1 замыкается, а SA2 должен быть разомкнут (рисунке 4.1).

Измеряя вольтметром PV1, установить автотрансформатором TV1 напряжение, равным U_1H. Изменять ток вторичной обмотки в пределах 0…1,25·I₂ с помощью нагрузочного реостата R_НАГР. Напряжение первичной обмотки поддерживать постоянным U₁ =U_1H = const. Для 5…8 значений тока записать показания соответствующих приборов в таблицу 4.3.

Коэффициент мощности нагрузки в работе принимается равным единице cosφ₂ = 1, так как в качестве нагрузки применяется реостат, который имеет чисто активное сопротивление.

Выходную мощность трансформатора определяют по формуле:

(4.9)

Таблица 4.3 Результаты исследования трансформатора под нагрузкой

№	Экспериментальные	Расчетные
U1, B	I1, A	P1, Вт	U2, В	I2, A	P2, Вт		η, %	cosφ1
1
2
…

Коэффициент загруженности трансформатора: (4.10)

Коэффициент полезного действия трансформатора:

(4.11)

Коэффициент мощности cosφ₁ трансформатора определяется по формуле аналогичной (4.1) и (4.6).

По результатам опыта с нагрузкой строятся внешняя характеристика трансформатора U₂ = f(I₂) и другие зависимости: η = f(I₂), cosφ₁ = f(I₂).

Для значений коэффициента загруженности из таблицы 4.3 по результатам опытов ХХ и КЗ по формулам (4.12) и (4.13) рассчитываются напряжение на выводах вторичной обмотки U₂ и КПД трансформатора η. Результаты заносятся в таблицу 4.4.

(4.12)

(4.13)

где S_2H - номинальная мощность трансформатора, определяемая по его паспортным данным;

U_a,U_р, ΔP_CT.Н, ΔP_ОБM.H - величины, определяемые в опытах холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

Промежуточные и итоговые результаты расчетов по формулам (4.12) и (4.13) заносятся в таблицу 4.4.

Таблица 4.4 Расчет параметров по результатам опытов ХХ и КЗ

№		P2 , Вт	ΔPОБM, Вт	U2, В	η,%
1
2
…

По данным таблицы 4.4 так же строятся зависимости U₂ = f(I₂) и η = f(I₂) совместно с характеристиками из таблицы 4.3.

Сравнить характеристики, полученные разными методами и определить возможные причины различия, если они есть.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

5.1 Тема, цель работы.

5.2 Основные теоретические сведения.

5.3 Расчёты и результаты измерений: таблицы, заполненные экспериментальными и рассчитанными данными; графики зависимостей; схема замещения с рассчитанными параметрами.

5.4 Ответы на контрольные вопросы.

5.5 Выводы по работе.

6 Контрольные вопросы

6.1 Как зависит КПД трансформатора от его загруженности?

6.2 Как изменяются потери в стали и потери в обмотках трансформатора при изменении тока нагрузки?

6.3 В каких целях проводятся опыты ХХ и КЗ?

6.4 Почему при холостом ходе не учитываются потери в обмотках, а при коротком замыкании - в магнитопроводе трансформатора?

6.5 Почему при изменении тока нагрузки изменяется и напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора.

Лабораторная работа № 2

Цель работы

Целью работы является исследование работы нескольких трансформаторов на общую нагрузку. Определение влияния отклонений параметров трансформаторов на распределение токов при параллельной работе.

Программа работы

2.1 Ознакомление с лабораторной установкой, запись паспортных данных трансформаторов и приборов.

2.2 Проверка возможности включения трансформаторов на параллельную работу.

2.3 Снятие характеристик трансформаторов при параллельной работе.

2.4 Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

5.1 Тему, цель работы.

5.2 Основные теоретические сведения, схему лабораторной установки.

5.3 Расчёты и результаты измерений, графики.

5.4 Ответы на контрольные вопросы.

5.5 Выводы по работе.

6 Контрольные вопросы

6.1 В каких случаях применяется параллельная работа трансформаторов?

6.2 Условия включения трансформаторов на параллельную работу?

6.3 Чем отличаются трансформаторы, относящиеся к разным группам соединения обмоток?

6.4 Что нужно сделать, чтобы включить на параллельную работу трансформаторы групп 0 и 6?

6.5 Почему не рекомендуется включать на параллельную работу трансформаторы с соотношением мощностей более трех?

6.6 Как можно с помощью вольтметра определить возможность включения трансформаторов на параллельную работу?

Лабораторная работа №3

ТРАНСФОРМАТОРОВ

Цель работы

Целью работы является исследование электромагнитных процессов при различных видах несимметричной нагрузки трехфазных трансформаторов с трехстержневым магнитопроводом. Экспериментальное определение сопротивлений нулевой последовательности трансформатора для различной схемы соединения обмоток.

Программа работы

2.1 Опытное определение первичных линейных токов, первичных и вторичных фазных и линейных напряжений для различных случаев несимметричной на­грузки:

- двухфазная нагрузка для схемы Y/Y;

- однофазная нагрузка для схемы Y/Y_o;

- двухфазная нагрузка для схемы Δ/Y;

- однофазная нагрузка для схемы Δ/Y_o.

Сопротивление применяемой нагрузки трансформаторов - чисто активное.

2.2 Определение сопротивлений нулевой последовательности для различной схемы соединения обмоток исследуемого трансформатора с трехстержневым магнитопроводом.

2.3 Расчетное определение первичных и вторичных фазных и линейных напряжений для различных случаев несимметричной на­грузки. Сравнение результатов полученных опытным путем с расчетными.

Нулевой последовательности

В случаенесимметричной нагрузки при отсутствии токов нулевой последовательности верны соотношения:

(3.3)

При соединении вторичной обмотки по схеме «звезда»:

(3.4)

При соединении вторичной обмотки по схеме «треугольник»:

(3.5)

То есть центр звезды векторной диаграммы фазных токов находится в центре тяжести треугольника векторов линейных токов.

Первичные линейные токи находятся из равенств:

(3.6)

Из выражения (3.6) следует, что сумма векторов фазных токов первичной обмотки равна нулю:

(3.7)

Если первичная обмотка соединена в «звезду», то I_ф = I_л, а если в «треугольник», то справедливы соотношения:

(3.8)

Так как первичные линейные напряжения известны, то при отсутствии токов нулевой последовательности известны и фазные напряжения, причем:

(3.9)

Для векторов фазных напряжений имеют место формулы:

(3.10)

где Z_k – сопротивление короткого замыкания трансформатора.

Тогда выполняется соотношение:

(3.11)

В этом случае, центр «звезды» фазных напряжений при соединении вторичной обмотки по схеме «звезда» находится в центре тяжести «треугольника» линейных напряжений и справедливы соотношения:

(3.12)

Следовательно, при отсутствии составляющей нулевой последовательности в линейных токах первичных и вторичных обмотках трансформатора (это всегда имеет место при соединении обмоток Y/Y, Y/Δ, Δ/Δ) каждую фазу трансформатора при несимметричной нагрузке можно рассматривать независимо.

Нулевой последовательности

Если вторичная обмотка соединена по схеме «звезда» с нулевым проводом (Y₀), то справедливо равенство:

, (3.13)

где I_d - ток в нулевом проводе со стороны вторичной обмотки.

Если I_d не равен нулю, то векторы вторичных линейных токов можно представить в следующем виде:

(3.14)

где I_{а}, I_{b}, I_{c} – линейные токи прямой и обратной последовательности со стороны вторичной обмотки;

I_0П – ток нулевой последовательности со стороны вторичной обмотки.

Так как , то вторичным токам будут соответствовать токи в первичной цепи:

(3.15)

Токи нулевой последовательности I₀ могут быть магнитно уравновешены токами в первичной цепи, если первичная обмотка соединена по схеме «звезда» с нулевым проводом или «треугольник». В этих случаях в фазах первичной обмотки будут протекать токи I_А0 = I_В0 = I_С0 = - I'₀ и тогда результирующие токи в фазах будут равны:

(3.16)

При соединении в «звезду» с нулевым проводом линейные токи будут равны фазным, а ток в нулевом проводе первичной обмотки равен:

(3.17)

Если первичная обмотка соединена в «треугольник», то линейные токи определяются по уравнению (3.8).

Если первичная обмотка соединена в «звезду» без нулевого провода, а вторичная обмотка соединена в «звезду» с нулевым проводом т.е. схема соединения трансформатора Y/Y₀, то по первичной обмотке токи нулевой последовательности не протекают. А фазные и линейные токи равны:

(3.18)

При этом токи нулевой последовательности, протекая только по вторичной обмотке, будут создавать магнитное поле нулевой последовательности, наводящее соответствующие ЭДС в фазах. И сумма векторов фазных напряжений равна трехкратному ЭДС нулевой последовательности:

(3.19)

где E_0П – ЭДС нулевой последовательности в первичной обмотке;

I₀₀ – намагничивающий ток в схеме замещения нулевой последовательности (рисунок 3.1);

Z₀₀ –сопротивление намагничивающей цепи схемы замещения нулевой последовательности.

Фазные напряжения в уравнениях (3.10) и (3.19) можно определить по следующим формулам:

(3.20)

где - приведенное сопротивление вторичной обмотки в схеме замещения.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

5.1 Тему, цель работы.

5.2 Основные теоретические сведения, схемы лабораторной установки.

5.3 Результаты измерений и расчётов, векторные диаграммы токов и напряжений.

5.4 Ответы на контрольные вопросы.

5.5 Выводы по работе.

6 Контрольные вопросы

6.1 Как производятся расчёты электромагнитных процессов в трехфазном трансформаторе при симметричной нагрузке?

6.2 Как производятся расчеты электромагнитных процессов в трехфазном трансформаторе при несимметричной нагрузке и отсутствии токов нулевой последовательности?

6.3 Приведите схемы соединения обмоток трансформатора, при которых отсутствуют токи нулевой последовательности.

6.4 Каковы варианты схем соединения обмоток трехфазных трансформаторов, при которых возможно протекание токов нулевой последовательности?

6.5 Как определить ток нулевой последовательности при однофазной нагрузке и схеме вторичной обмотки - Y₀?

6.6 Каковы основные особенности работы трансформаторов при несимметричной нагрузке и схеме соединения Y/Y₀?

6.7 Каково соотношение между первичными и вторичными фазными и линейными токами при симметричной и несимметричной нагрузке?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Аипов Р.С.Электрические машины и аппараты [Текст]: (конспект лекций, ч. 1. Трансформаторы и асинхронные электрические машины)/Р.С. Аипов; Башкирский ГАУ. – Уфа, 2012. -127 с.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы [Текст]: допущено Министерством образования и науки РФ/А.В. Вольдек, В..В. Попов. – М.; Спб.; Нижний Новгород: Питер, 2008.- 319 с.

3. Ванурин, В.Н. Электрические машины [Текст] : учебное пособие / В.Н. Ванурин. – М.: Энергия, 2006. – 380 с.

4. Годжелло А.Г. Электрические и электронные аппараты [Текст]: в 2 т.: допущено УМО по образованию - М.:Академия, 2012. – Т.1 Электромеханические аппараты /; [Е.Г. Акимов и др.]; под ред. А.Г. Годжелло, Ю.К. Розанова. – 2010.- 345 с.

5. Гольдберг, О.Д. Испытание электрических машин [Текст]: учебное пособие / О.Д. Гольдберг. – М.: Высшая школа, 2001. – 430 с.

6. Епифанов, А.П. Электрические машины [Текст]: Учебник / А.П. Епифанов. – СПб.: Лань, 2006. -263 с.

7. Иванов-Смоленский, А.В. Электрические машины [Текст]: учебник для вузов/ А.В. Иванов смоленский. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. – 928 с.

8. Кацман, М.М. Электрические машины [Текст]: учебное пособие/М.М. Кацман. – М.: Высшая школа, 2001. – 463 с.

9. Копылов, И.П. Электрические машины [Текст] : учебник для вузов/ И.П. Копылов. - М.: Логос, 2007. - 607 с.

10. СТО 0493582-004-2010 Стандарт организации / Самостоятельная рабо­та студента. Оформление текста рукописи. Взамен СТП 0493582-004-2009. Введен в действие с 01 сентября 2010г. - Уфа.: БашГАУ, 2010. - 29 с.

БЗ.В4 Электрические машины и аппараты

Лабораторный практикум

по разделу

Трансформаторы

Направлениеподготовки

140100 Теплоэнергетика и теплотехника

Профиль подготовки

Энергообеспечение предприятий

Квалификация (степень) выпускника

бакалавр

УФА 2013

УДК 621.313

ББК 31.261

Л 12

Рекомендовано к изданию методической комиссией энергетического факультета, протокол № 2 от « 25 » сентября 2013г.

Составители: д.т.н., профессор Аипов Р.С., ассистент Акчурин С.В.

Рецензент: д.т.н., профессор кафедры ЭПЭЭСХ Андрианова Л.П.

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой электрических машин и электрооборудования, д.т.н., профессор Аипов Р.С.

ОГЛАВЛЕНИЕ

	ВВЕДЕНИЕ
	Лабораторная работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
	Лабораторная работа № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
	Лабораторная работа № 3. НЕСИММЕТРИЧНАЯ НАГРУЗКА ТРЕХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
	БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум по разделу «Трансформаторы» дисциплины «Электрические машины и аппараты» предназначен для студентов очной и заочной форм обучения и призван способствовать освоению рабочей программы по указанной дисциплине.

Лабораторный практикум включает пять тем. Тематика лабораторных работ полностью соответствует содержанию рабочей программы дисциплины БЗ.В4 «Электрические машины и аппараты» для направления подготовки 140100 Теплоэнергетика и теплотехника.

Содержание лабораторного практикума направлено на углубленное изучение студентами наиболее важных модулей теоретического курса и включает: цель работы, программу работы, краткие теоретические сведения, описание лабораторной установки, порядок выполнения работы (последовательность действий с необходимыми методическими указаниями), требования к содержанию и оформлению отчета по работе, библиографический список.

Перед началом цикла лабораторных работ студенты проходят первичный инструктаж по технике безопасности согласно требованиям. Перед началом каждой лабораторной работы студенты проходят текущий инструктаж по технике безопасности, непосредственно на рабочем месте.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО

ТРАНСФОРМАТОРА

1 Цель работы

Экспериментальное определение основных параметров однофазного трансформатора и параметров его схемы замещения. Построение характеристик исследуемого трансформатора. Сравнение результатов опытов, полученных различным методом.

Программа работы

2.1 Ознакомление с работой, запись паспортных данных трансформатора и приборов.

2.2 Снятие характеристики холостого хода и опыта короткого замыкания трансформатора.

2.3 Экспериментальное определение внешней характеристики и к.п.д. исследуемого трансформатора.

2.4 Расчетное определение внешней характеристики и к.п.д. исследуемого трансформатора по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

2.5 Обработка полученных результатов, построение графиков.

2.6 Расчет параметров схемы замещения исследуемого трансформатора.

2.7 Формирование выводов и ответ на контрольные вопросы.