Исследование эксплуатационных характеристик трансформатора моделированием в пакете MULTISIM
Лабораторная работа № 4
«Исследование однофазного двухобмоточного трансформатора»
1.Экспериментальное определение параметров однофазного двухобмоточного трансформатора
В первой части работы проводится исследование промышленного однофазного трансформатора 220В/140В с полной мощностью S= 250ВА. В работе используются измерительные приборы высокого класса точности: амперметры, вольтметры и ваттметр. Регулирование входного напряжения от 0 до 250В осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа).
Целью работы является приобретение навыков работы с реальными электрическими устройствами, выбора измерительных приборов, определения цены деления измерительных приборов, освоение правил техники безопасности проведения экспериментов с электротехническими устройствами..
Исследование трансформатора состоит из 2-х опытов:
- опыта холостого хода;
- опыта короткого замыкания
Опыт холостого хода.
При отключенном от сети ЛАТР-е Т2 собирается электрическая цепь, показанная на рисунке 1.
Рис.1.Принципиальная схема опыта холостого хода
На рис.1 показан испытуемый трансформатор Т1, ЛАТР, обозначенный, как трансформатор Т2, ваттметр ХWМ1, два вольтметра переменного тока U 2 и U3, измеряющие напряжения соответственно на первичной и вторичной обмотках испытуемого трансформатора Т1, и амперметр переменного тока U1. От электрической сети переменного тока с частотой 50Гц и напряжением 220В подаётся электроэнергия на входные клеммы ЛАТР-а Т2. С выхода Т2 из узла 1 регулируемое напряжение подаётся на начала двух обмоток ваттметра – обмотку напряжения и токовую обмотку. Начала обозначены символом «+».Выход токовой обмотки подключён к амперметру U1и вольтметру U2, образуя узел 5. Выход амперметра подключается к началу первичной обмотки трансформатора Т1, образуя узел 4. К вторичной обмотке трансформатора Т1 подключен вольтметр U3 с внутренним сопротивлением 10МегОм. Поэтому ток вторичной обмотки можно считать равным нулю и трансформатор Т1 - работающим в режиме холостого хода.
Выходные клеммы Т2 обозначены надписью «Нагрузка». На рис.1 на второй клемме Т2 образуется узел, обозначенный цифрой 6. Цепь соединяется проводами с наконечниками под зажим. Не допускается подключать более двух проводов на одну клемму, чтобы не повредить резьбы клемм приборов. Поэтому с выходной клеммы 6 идут два провода: на второй вход обмотки напряжения ваттметра и на второй вход вольтметра U2. Оба этих входа обозначены символом «-». На второй вход вольтметра U2 одновременно подключается второй провод, чтобы подключить второй вывод первичной обмотки трансформатора Т1. Таким образом получаем соединение устройств в узел 6.
Проведение опыта.
.
Работа выполняется бригадой из 3-х или 4-х студентов. Каждый контролирует один или два прибора и производит замер по команде ведущего, который регулирует напряжение и одновременно контролирует главный прибор конкретного опыта, чтобы не повредить оборудование. В опыте холостого хода это вольтметр U2, показания которого не должны превышать 250В! В следующем опыте короткого замыкания – это ток. В первичной обмотке он не должен превышать номинального значения 1.14А, то есть контролируется показание прибора U1. Одновременность снятия показаний необходима из-за возможных плавных колебаний напряжения в сети.
Плавно регулируя напряжение на выходе ЛАТР-а Т2 снимаем показания приборов и заносим их в таблицу1.
Таблица 1
| U1 В | |||||||
| U2 В | |||||||
| I1 А | |||||||
| P1 Вт |
Опыт короткого замыкания
Схема опыта короткого замыкания отличается от первой схемы заменой вольтметра U3 в цепи вторичной обмотки трансформатора Т1 амперметром под тем же именем U3. Схема показана на рисунке 2.
Рис. 2.Принципиальная схема опыта короткого замыкания
Амперметр U3 подключается на выход трансформатора Т1. Сопротивление амперметра очень мало и составляет 1*10-9 Ом, то есть амперметр практически замыкает накоротко вторичную обмотку.
Отключение вольтметра и подключение амперметра производится при отключенной от сети схемы. ЛАТР выводится в нулевое положение – против часовой стрелки до упора. После включения ЛАТР -а в сеть очень осторожно поднимается напряжение на первичной обмотке до достижения током обмотки номинального значения. Снимаются показания приборов и заносятся в таблицу 2. Если позволяют приборы и характеристики трансформатора, можно снять ещё одну точку снижением напряжения.
| U1кз В | |
| I1ном А | 1.14 |
| I2ном А | |
| Pкз Вт |
По результатам измерений обоих опытов проводятся вычисления параметров Т-образной схемы замещения трансформатора: R1, R2, L1, L2, R12 и L12. Здесь : R1 и R2 соответственно сопротивления первичной и вторичной обмоток, L1 и L2 - индуктивности, соответствующие потокам рассеяния этих обмоток; R12 - сопротивление, соответствующее потерям мощности в сердечнике от намагничивающего тока, и L12 – индуктивность, соответствующая потоку взаимной индукции, протекающему по сердечнику .
Исследование эксплуатационных характеристик трансформатора моделированием в пакете MULTISIM
Моделированием получаем две характеристики трансформатора, как источника питания:
- внешнюю характеристику (зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки);
- зависимость КПД от тока нагрузки Схема модели приводится на рисунке 3.
Рис.3.Исследование Т-образной модели трансформатора, параметры которого были получены из опытов холостого хода и короткого замыкания
Изменяя величину и характер нагрузки можно получить внешнюю (нагрузочную) характеристику и зависимость КПД трансформатора от величины тока и типа нагрузки. Нагрузка на рис 3 представлена резистором R3. Ваттметр XWM1 измеряет активную мощность, потребляемую трансформатором от сети (источник переменного напряжения 220В, 50Гц). Ваттметр XWM2 измеряет активную мощность, потребляемую нагрузкой от вторичной обмотки трансформатора. Заменяя R3 на R-L или R-C цепи можно определить влияние L и C элементов на вид характеристик. Модуль сопротивления нагрузки должен обеспечивать ток нагрузки не более номинального I1ном=Sном/U1ном=250/220 = 1.14=I*2ном.
Результаты расчёта сводятся в таблицу 3.
Таблица 3
| Rнагр Ом | |||||||
| I2 A | |||||||
| U2 В | |||||||
| P1 Вт | |||||||
| P2 Вт | |||||||
| КПД |
Снимать показания приборов и делать расчёты с количеством значащих цифр не менее 4-х
По результатам расчётов построить графики U2 = f 1(I2) и ŋ = f 2(I2).
Отчёт по работе должен включать схемы экспериментов и модели, расчёты параметров Т-образной схемы, таблицы измерений и графики характеристик.
Вопросы для контроля знаний по теме:
1.Определение трансформатора, как устройства;
2.Понятие обратимости трансформатора;
3.Назначение сердечника и его устройство;
4.Как преобразуются напряжения и токи в трансформаторе;
5.Понятие идеального трансформатора;
6.Какие свойства и параметры учитываются в реальном трансформаторе;
7.Условия проведения опыта холостого хода;
8. Условия проведения опыта короткого замыкания;
9.В чём нарушен принцип работы трансформатора в Т-образной схеме замещения.
10.Как достигается соответствие процессов в Т-образной модели и в реальном трансформаторе;
11.Понятие намагничивающего тока;
12.Строгое определение коэффициента трансформации трансформатора;
13.Приближённое определение коэффициента трансформации трансформатора;
14.Почему отношение токов первичной и вторичной обмоток не соответствует коэффициенту трансформации трансформатора;
15.Как снизить потери в трансформаторе;
16.Объяснить физические причины низкого КПД маломощных трансформаторов;
17.Почему, при одинаковом условном направлении напряжений на обмотках трансформатора, токи в обмотках текут в разных направлениях.
Описание лабораторной работы написано по программе для потока П4
Доцент Аверцев В.И.
Февраль 2012