Краткие теоретические сведения. Лабораторная работа по курсу

Лабораторная работа по курсу

«Электрические машины»

Рыбинск 2010

Инструкция по технике безопасности

При выполнении лабораторной работы следует соблюдать общие требования техники безопасности для учебных лабораторий, с которыми студенты должны быть ознакомлены перед выполнением лабораторных работ.

Цель работы

Ознакомиться с устройством и принципом действия однофазного трансформатора. Расчетным путем и экспериментально определить основные параметры и эксплуатационные характеристики трансформатора в трех режимах:

1. на холостом ходу;

2. под нагрузкой;

3. в режиме короткого замыкания.

Краткие теоретические сведения

2.1 Общие сведения

При передаче и распределении электроэнергии необходимо иметь различные электрические напряжения.

При передаче энергии от электростанции к пункту ее потребления, расположенному на большом расстоянии, для уменьшения потерь электроэнергии и уменьшения веса проводов необходимо напряжение генератора повысить до напряжения электропередачи порядка сотен киловольт. Напряжение питания отдельных приемников должно быть низким для упрощения их конструкции и для безопасности их обслу­живания. Повышение и понижение напряжения достигаются при по­мощи трансформаторов, работа которых основана на использовании явления взаимной индукции.

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного (синусоидального) тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Первые трансформаторы с разомкнутым магнитопроводом предложил в 1876 г. П. Н. Яблочков, который применял их для питания электрической «свечи». В 1885 г. венгерские ученые М. Дери, О. Блати, К. Циперновский разработали однофазные промышленные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом.

Трансформатор, применяемый в сетях передачи электро­энергии, состоит из замкнутого сердечника, набранного из листовой электротехнической стали, и двух (или большего числа) индуктивно связанных обмоток, наложенных на этот сердечник. Обмотка , подключаемая к источнику с напряжением называется первичной; другая обмотка к которой присоединяются приемники энергии, называется вторичной.

Размеры сердечника и числа витков трансформаторов, повышающих напряжение, выбирают так, чтобы сердечник не насыщался. В этом случае, напряжения, токи, э. д. с. и магнитный поток в сердечнике практически синусоидальный.

Если первичная обмотка трансформатора подключена к сети с напряжением , а вторичная разомкнута, то режим работы трансформатора называется режимом холостого хода.

Трансформаторы широко применяются в разных областях электротехники, радиотехники, электроники, в устройствах измерения, автоматического управления и регулирования.

По особенностям конструкции и применению трансформаторы можно разделить на силовые, сварочные, измерительные и специальные. По способу охлаждения они де­лятся на воздушные и масляные. Наибольшее применение в народном хозяйстве получили силовые трансформаторы, которые являются необходимым элементом промышленной электрической сети. Генераторы на электростанциях вырабатывают электрическую энергию при напряжении не более 24кВ, так как при более высоких напряжениях возникают трудности создания достаточной изоляции в электрических машинах. Передача электрической энергии на большие расстояния при таких относительно низких напряжениях экономически невыгодна из-за больших потерь в линии. Действительно, при низких напряжениях U та же мощность получается при большем токе I, следовательно, увеличивается мощность потерь в проводах, т. е. необходимо увеличивать сечение проводов. По­этому на электрических станциях устанавливаются силовые трансформаторы, повышающие напряжение до 100, 220, 500, 750 и до 1150 кВ. У потребителей напряжение при по­мощи трансформаторов понижается несколькими ступеня­ми: на районных подстанциях до 35 (10) кВ, на подстанциях предприятий до 10 (6) кВ и, наконец, на подстанциях цехов и жилых районов — до 380/220 В.

По числу фаз трансформаторы подразделяются на одно­фазные и трехфазные. Каждая фаза трансформатора име­ет первичную обмотку (к ней энергия подводится от источ­ника) и вторичную обмотку (с нее энергия поступает к по­требителю). Вторичных обмоток у трансформатора может быть несколько — в этом случае трансформаторы называ­ются многообмоточными. Таким образом, однофазные тран­сформаторы имеют как минимум две обмотки, трехфаз­ные — шесть.

2.2 Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

Однофазный трансформатор (рисунок 2.2.1) состоит из двух обмоток — первичной 1 с числом витков , к которой подводится напряже-ние сети, и вторичной 2 с числом витков , к которой присоединяются потребители электроэнергии; обе обмотки намотаны на магнитопровод 3.

Рисунок 2.2.1 – Принципиально устройство однофазного трансформатора

Магнитопровод служит для усиления электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод трансфор­матора собирают из тонких (изолированных друг от друга тон­кой бумагой, лаком или окали­ной) листов слабоуглеродистой электротехнической стали. Основными частями трансформатора являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод собирается из тонких изолиро­ванных друг от друга листов электротехнической стали. Часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, называют стержнями. Части магнитопровода, замыкающие стержни, на­зывают ярмом. Однофазные трансформаторы в зависимости от формы магни­топровода и расположения обмоток подразделяются на стержне­вые и броневые. Сечение стержней у маломощ­ных трансформаторов выполняется прямоугольным, у мощных трансформаторов, для лучшего использования стали, — в виде ступенчатой фигуры, вписанной в окружность витков обмотки.

При сборке магнитопровода трансформатора стремятся до минимума свести воздушные зазоры, так как при заданном значении магнитного потока намагничивающий ток будет тем меньше, чем меньше магнитное сопро­тивление магнитной цепи.

Одна из обмоток трансформа­тора, рассчитанная на большее напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а вторая — обмоткой низшего напряжения (НН). Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называют повы­шающим, а если больше — понижающим. Обмотки ВН и НН условно имеют начало и конец, которые соответственно обозначают на стороне высшего напряжения А и X, а на стороне низшего на­пряжения — а и х.

Принято называть все величины, относящиеся к первичной об­мотке (например, напряжение, ток, мощность), первичными, а от­носящиеся к вторичной обмотке — вторичными. При подключении трансформатора к сети переменного тока с на­пряжением в первичной обмотке проходит ток . Под действием намагничивающей силы возбуждается переменный во времени магнитный поток . Большую часть потока Фо, замыкающуюся по магнитопроводу и сцепленную с обеими обмотками трансформа­тора, называют основным магнитным потоком ; небольшую часть потока Фо, сцепленную только с одной первичной обмоткой, назы­вают первичным потоком рассеяния .

В основе работы трансформатора лежит закон электромагнит­ной индукции, в соответствии с которым пронизывающий обмотки трансформатора основной магнитный поток индуктирует в них э.д.с. и ; если ко вторичной обмотке присоединить потребитель электроэнергии (нагрузку) , то под действием э.д.с. по этой обмотке потечет переменный ток . Именно так с помощью перемен­ного магнитного потока осуществляется передача энергии из пер­вичной обмотки во вторичную.

Режим работы трансформатора в условиях, для которых он рас­считан и изготовлен, называется номинальным. Номинальный режим характеризуется следующими номинальными величинами, большинство из которых, указываются на щитке трансформатора:

1. Мощность, которую трансформатор отдает при номинальных значениях частоты, первичного напряжения и вторичного тока. Такая мощность называется номинальной – SH (ВА) или (кВА).

2. Номинальные напряжения всех обмоток.

3. Напряжение короткого замыкания

4. Номинальные токи в обмотках, связанные с мощностью соотношением