- •Электротехника
- •Электротехника: лабораторный практикум/ Попов, а.П., Татевосян, а.С., Завьялов, е.М., Батрак, а.И., Хамитов, р.Н. Омск: Изд – во ОмГту, 2008 г. 85 с.
- •Введение
- •Описание лабораторного стенда
- •Теоретической и общей электротехники
- •Указания к монтажу электрических схем.
- •Техника безопасности при проведении лабораторных работ.
- •Лабораторная работа № 1 изучение лабораторного стенда по электротехнике
- •Краткие теоретические сведения
- •Лабораторная работа № 2 линейные электрические цепи синусоидального тока
- •Краткие теоретические сведения
- •Лабораторная работа № 3 резонанс напряжений
- •Краткие теоретические сведения
- •Лабораторная работа № 4 резонанс токов
- •Краткие теоретические сведения
- •Лабораторная работа № 5 исследование трехфазной цепи при соединении приемников электрической энергии «звездой» и «треугольником»
- •Краткие теоретические сведения
- •Лабораторная работа № 6 исследование тягового усилия электромагнита
- •Краткие теоретические сведения
- •Лабораторная работа № 7 однофазный трансформатор
- •Краткие теоретические сведения
- •Лабораторная работа № 8 трансформатор тока
- •Краткие теоретические сведения
- •Электротехника Лабораторный практикум
Лабораторная работа № 7 однофазный трансформатор
Цель работы: Ознакомление с принципом работы, характеристиками и методами исследования однофазных трансформаторов.
Домашнее задание
Поясните назначение трансформатора.
Объясните устройство и принцип действия однофазного трансформатора.
Как и с какой целью проводится опыт холостого хода трансформатора?
Как и с какой целью проводится опыт короткого замыкания трансформатора?
Запишите полную систему уравнений трансформатора.
Дайте понятие электрической схемы замещения трансформатора. Какие физические процессы, связанные с преобразованием электрической энергии в другие виды, учитывают ее элементы?
Краткие теоретические сведения
Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформатор состоит из стального сердечника, собранного из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга с целью снижения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи.
На сердечнике однофазного трансформатора (рис. 1) в простейшем случае расположены две обмотки, выполненные из изолированного провода, содержащие различное число витков: первичная обмотка содержит витков, а вторичная обмотка – витков.
К первичной обмотке подводится питающее напряжение . С вторичной его обмотки снимается напряжение , которое подводится к потребителю электрической энергии.
Отношение напряжения вторичной обмотки напряжения к напряжению первичной обмотки называют коэффициентом трансформации по напряжению:
.
Отношение тока вторичной обмотки к току первичной обмотки называют коэффициентом трансформации по току:
.
Рис. 1
Коэффициент передачи есть обратная величина коэффициента трансформации, то есть коэффициент передачи по напряжению равен , а коэффициент передачи по току .
Во многих случаях трансформатор имеет не одну, а две или несколько вторичных обмоток, к каждой из которых подключается свой потребитель электроэнергии. Переменный ток, проходя по виткам первичной обмотки трансформатора, возбуждает в сердечнике магнитопровода переменный магнитный поток . Изменяясь во времени по синусоидальному закону , этот поток пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток трансформатора. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотках будет наводиться ЭДС, мгновенные значения которой будут изменяться по синусоидальному закону:
,
где и – амплитудные значения ЭДС соответственно в первичной и вторичной обмотках.
Действующие значения ЭДС, наводимых соответственно в первичной и вторичной обмотке трансформатора, определяются по формулам:
,
Напряжение, подводимое в режиме холостого хода к трансформатору, в соответствии со вторым законом Кирхгофа для первичной обмотки, может быть представлено как сумма:
где – ток холостого хода трансформатора, – комплексное сопротивление первичной обмотки, – ее активное сопротивление; – ее индуктивное сопротивление, обусловленное потоками рассеяния.
Ток во вторичной обмотке нагруженного трансформатора, согласно закону Ома, определяется выражением
В нагрузочном режиме трансформатора можно выделить три магнитных потока (рис. 1): основной поток , сцепленный с витками первичной и вторичной обмоток, поток рассеяния первичной обмотки и поток рассеяния вторичной обмотки. ЭДС, индуктируемые в обмотках потоками и рассеяния, учитываются обычно при помощи соответственно индуктивных сопротивлений и рассеяния первичной и вторичной обмоток. Потоки и рассеяния обмоток пропорциональны соответствующим токам в обмотках и совпадают с ними в фазе. Эти потоки рассеяния индуктируют в обмотках ЭДС и , отстающие по фазе от магнитных потоков, а следовательно, и токов и на угол .
ЭДС от магнитных потоков рассеяния уравновешиваются составляющими напряжения:
и ,
где и – комплексные сопротивления рассеяния обмоток; и – индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток; , – потокосцепления рассеяния первичной и вторичной обмоток; – угловая частота переменного тока.
Составляющие напряжения и опережают токи и на угол . В соответствии со вторым законом Кирхгофа для первичной и вторичной обмоток нагруженного трансформатора можно записать уравнения электрического состояния
,
,
где – ток первичной обмотки нагруженного трансформатора; – комплексное полное сопротивление вторичной обмотки, – ее активное сопротивление; – ее индуктивное сопротивление, обусловленное потоками рассеяния .
Падения напряжений и в обмотках трансформатора обычно не превышают 4–10 % от напряжений и , поэтому можно считать, что в режиме нагрузки трансформатора сохраняются равенства и . Если напряжение на первичной обмотке , то амплитуда магнитного потока будет постоянной пределах от холостого хода до номинальной нагрузки в трансформаторе, то есть
В режиме нагрузки выполняется уравнение равновесия намагничивающих сил обмоток трансформатора:
.
Исследование работы трансформатора при нагрузке удобно проводить на основе векторных диаграмм, построенных для приведенного трансформатора, заменяющего реальный трансформатор, у которого параметры вторичной обмотки приведены к числу витков первичной обмотки. В соответствии с этим приведенный трансформатор должен иметь коэффициент трансформации, равный единице . В процессе определения параметров вторичной обмотки приведенного трансформатора все параметры первичной обмотки остаются неизменными. При замене реального трансформатора приведенным трансформатором активные, реактивные и полные мощности, а также коэффициент мощности вторичной обмотки трансформатора должны оставаться постоянными. Исходя из этого, расчетные соотношения для приведенного трансформатора имеют вид:
вторичная приведенная ЭДС ,
приведенное вторичное напряжение ,
приведенный вторичный ток ,
приведенное активное сопротивление вторичной обмотки ,
приведенное реактивное индуктивное сопротивление вторичной обмотки ,
приведенное полное сопротивление вторичной обмотки ,
приведенное полное сопротивление нагрузки .
Через приведенные параметры трансформатора уравнение электрического равновесия вторичной обмотки имеет вид:
.
Из уравнения намагничивающих сил обмоток для приведенного трансформатора можно записать
.
Так же, как для катушки со стальным сердечником ЭДС , равную , можно заменить векторной суммой активного и реактивного индуктивного падений напряжения
,
где – активное сопротивление, обусловленное магнитными потерями мощности в магнитопроводе трансформатора; – индуктивное сопротивление, обусловленное основным магнитным потоком трансформатора.
По уравнениям приведенного трансформатора можно составить схему замещения трансформатора (рис. 2) и построить векторную диаграмму. Векторная диаграмма трансформатора для случая активно-индуктивной нагрузки приведена на рисунке 3.
При опыте холостого хода к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение, равное номинальному его значению . Вторичная обмотка трансформатора при этом разомкнута, так как в цепи ее отсутствует нагрузка. В результате этого ток во вторичной обмотке оказывается равным нулю, в то время как в цепи первичной обмотки трансформатора будет ток холостого хода , значение которого невелико и составляет 4–10 % от номинального значения тока в первичной обмотке. При таком токе потерями в обмотках можно пренебречь и считать, что все потери в трансформаторе являются магнитными потерями в магнитопроводе, обусловленные действием вихревых токов и гистерезиса (перемагничивание стали).
Качественные рабочие характеристики трансформатора в нагрузочном режиме приведены на рисунке 4.
Рис. 2 Рис. 3
Рис. 4
Опыт короткого замыкания трансформатора проводится в процессе исследований трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток и параметров упрощенной схемы замещения трансформатора. Этот опыт проводится при пониженном напряжении на первичной обмотке так, чтобы при замкнутой накоротко вторичной обмотке токи в обмотках соответствовали номинальным значениям , . При опыте короткого замыкания напряжение, подводимое к первичной обмотке, мало и равно . Отсюда следует, что магнитный поток и магнитная индукция трансформатора будут также малы. Как известно, магнитные потери в магнитопроводе пропорциональны квадрату магнитной индукции, поэтому в опыте короткого замыкания трансформатора ими можно пренебречь.
Описание лабораторного стенда и рабочее задание
Ознакомиться с приборами, аппаратами и оборудованием съемной панели (рис. 5) лабораторного стенда, используемого для испытания однофазного трансформатора. Наряду со съемной панелью, при испытании трансформатора в различных режимах работы используются левая и правая стационарные панели лабораторного стенда. На левой стационарной панели для измерения тока, напряжения и мощности в цепи первичной обмотки однофазного трансформатора используются амперметр , вольтметр и ваттметр . На правой стационарной панели расположены амперметр и вольтметр , предназначенные для измерения тока и напряжения в цепи вторичной обмотки однофазного трансформатора. На правой панели также расположено переменное сопротивление , используемое в качестве активной нагрузки однофазного трансформатора. С помощью кругового переключателя в позициях переключений 1, 2, 3,…,7 производится ступенчатое изменение сопротивления нагрузки , причем с увеличением номера позиции переключения сопротивление нагрузки уменьшается. В положении переключателя «х.х.» сопротивление нагрузки отключено, то есть сопротивление .
Для проведения опыта холостого хода однофазного трансформатора в соответствии с принципиальной схемой (рис. 6) соберите электрическую цепь. Первичную обмотку однофазного трансформатора
подключите к зажимам нагрузки лабораторного автотрансформатора. Выводы вторичной обмотки однофазного трансформатора соедините к клеммам 4 и 5, расположенным на правой стационарной панели лабораторного стенда для подключения амперметра , вольтметра и нагрузки . Переключатель нагрузки установите в позицию «х.х.».
ВНИМАНИЕ! Перед подачей напряжения на первичную обмотку однофазного трансформатора необходимо убедиться, что регулятор автотрансформатора находится в крайнем правом положении и напряжение на зажимах нагрузки автотрансформатора близко к нулю.
Рис. 5. Лабораторная установка для исследования однофазного трансформатора
Рис. 6
Установить с помощью регулятора автотрансформатора напряжение на первичной обмотке трансформатора приблизительно . Принять это напряжение равным номинальному напряжению на первичной обмотке . Измерить напряжения и , ток , мощность в первичной обмотке трансформатора с помощью измерительных приборов, установленных на стенде, и занести эти показания в таблицу 1 в строку «Опыт х.х.».
По данным опыта холостого хода определить параметры схемы замещения трансформатора, представленной на рисунке 2, используя следующие соотношения:
,
, .
5. Испытать однофазный трансформатор в режиме нагрузки. В режиме нагрузки трансформатора вторичная цепь замкнута на нагрузочное сопротивление и напряжение на первичной обмотке трансформатора соответствует номинальному напряжению. Изменяя сопротивление нагрузки с помощью кругового переключателя в позициях переключений 1, 2, 3, …, 7 снять показания измерительных приборов. Заполнить строки таблицы 2 «Нагрузочный режим», используя полученные опытные данные и расчетные соотношения:
мощность нагрузки ,
коэффициент мощности ,
КПД трансформатора .
Определить снижение напряжения на вторичной обмотке при различных значениях коэффициента нагрузки :
,
где – напряжение на вторичной обмотке при заданной нагрузке.
По данным таблицы 2 построить в масштабе рабочие характеристики трансформатора в нагрузочном режиме, а именно: расчетные зависимости , , и . Принять номинальный режим работы однофазного трансформатора при сопротивлении нагрузки, соответствующем позиции 7 кругового переключателя .
Режим работы |
Положение переключателя |
Опыт |
Расчет |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Опыт х.х. |
х. х. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нагрузочный режим
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Опыт к.з. |
отсутствует
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Определить снижение напряжения на вторичной обмотке при различных значениях коэффициента нагрузки :
,
где – напряжение на вторичной обмотке при заданной нагрузке.
По данным таблицы 2 построить в масштабе рабочие характеристики трансформатора в нагрузочном режиме, а именно: расчетные зависимости , , и .
Испытать однофазный трансформатор в режиме короткого замыкания. В опыте короткого замыкания на первичную обмотку подать пониженное напряжение , при котором токи в обмотках равны номинальным значениям , . Ключ замкнут (рис. 5). Показания приборов занести в таблицу 2 в строку «Опыт к.з.».
По данным таблицы 2 определить значение напряжения короткого замыкания в процентах от номинального:
,
а также активную
и реактивную составляющие напряжения короткого замыкания.
, (% )
Из опыта короткого замыкания определить параметры схемы замещения трансформатора
,
, ,
,
Параметры схемы замещения трансформатора записать в таблицу 3.
Таблица 3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вопросы к защите
Что называют внешней характеристикой трансформатора?
Какое влияние оказывает характер нагрузки на вид внешней характеристики трансформатора?
Каким экспериментом можно определить отношение чисел витков первичной и вторичной обмоток трансформатора?
Почему в режиме х.х. трансформатора его магнитопровод нагревается, а обе обмотки остаются холодными?
Почему в режиме опыта к.з. трансформатора обе его обмотки нагреты, а магнитопровод остается холодным?
Почему ток х.х. трансформатора значительно меньше номинального?
Что называется трансформатором?
Объяснить, для чего и каким образом проводится опыт холостого хода трансформатора.
Объяснить, для чего и каким образом проводится опыт короткого замыкания трансформатора.
В чем состоит отличие аварийного короткого замыкания?
Найти число витков обмотки трансформатора для получения в режиме холостого хода напряжения на вторичной обмотке U2 = 12 B при напряжении первичной обмотки U1 = 220 B, если частота сети равна 50 Гц, а максимальное значение главного магнитного потока в сердечнике трансформатора Фm = 0,0036 Вб.
Трансформатор включен в сеть с напряжением . Напряжение на вторичных зажимах . Ток нагрузки . Обмотка имеет витков. Определить число витков вторичной обмотки и площадь поперечного сечения проводов, из которых сделаны обмотки, если максимально допустимая плотность тока равна .
Однофазный трансформатор работает в режиме холостого хода. Напряжение сети U1 = 5500 B, мощность потерь Р0 = 1450 Вт при токе I0 = 3 А. Определить коэффициент мощности в режиме холостого хода, полное сопротивление первичной обмотки и его активную и индуктивную составляющие.
Два трансформатора одинаковой мощности рассчитаны на одно и то же номинальное напряжение. У первого число витков первичной и вторичной обмоток больше, чем у второго. У какого трансформатора сечение сердечника будет меньшим?
Содержание отчета
Ответы на вопросы домашнего задания.
Указать номинальные паспортные данные опытного трансформатора и привести электрическую схему испытаний однофазного трансформатора под нагрузкой.
Представить результаты испытаний трансформатора в виде таблицы, дополнив ее расчетными данными, характеризующими работу трансформатора в опытах холостого хода, короткого замыкания и под нагрузкой.
Указать данные снижения напряжения на вторичной обмотке при различных коэффициентах нагрузки.
Привести схему замещения трансформатора и выполнить расчет ее параметров.
Выводы.