45

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет

имени Т.Ф. Горбачева»

Кафедра общей электротехники

Исследование трансформаторов и

электрических машин

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электротехника и электроника» для студентов специальностей 130402 «Маркшейдерское дело» и 130404 «Подземная разработка

месторождений полезных ископаемых»

Составители Т. М. Черникова

М. М. Еремеев

Рассмотрены и утверждены на

заседании кафедры

Протокол № 5 от _25.05.2012

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

специальности 130402

Протокол № от ________2012

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

КузГТУ

Кемерово 2012

Введение

Методические указания содержат описание лабораторных работ по курсу Теоретические основы электротехники. Указания к каждой работе состоят из следующих частей: общие теоретические вопросы исследуемой установки; описание установки; домашняя подготовка к работе; лабораторное занятие и обработка результатов опыта.

Лабораторные занятия по данным работам позволят студентам приобрести навыки будущей практической работы, а также углубить и закрепить теоретические знания по трансформаторам, электрическим машинам и аппаратам.

Все лабораторные работы выполняются на универсальном стенде, который содержит необходимые измерительные приборы: амперметры, вольтметры, измерительный комплект К – 505, электронный тахометр. Кроме того, имеются регулировочные реостаты R_в1 и R_в2, пусковой реостат R_п, нагрузка с клеммами Л₁ и Л₂, два пускателя типа АП для включения или выключения напряжения на стенде.

Измерительный комплект К – 505 предназначен для измерения фазных напряжений, токов и мощностей при испытании асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором. Он содержит переключатель фаз Ф, с помощью которого можно поочередно включать фазы А, В и С. Переключатель фаз в положении О означает, что амперметр и токовая обмотка ваттметра закорочены, а вольтметр и обмотка напряжения ваттметра выключены.

При подготовке к лабораторной работе следует:

1. уяснить цель и задачи работы;

2. изучить теоретический материал, соответствующий данной работе, по учебнику и конспекту лекций;

3. подготовить бланки отчетов, содержащие название лабораторной работы, цель, электрические схемы и таблицы;

4. запомнить последовательность опытов;

5. понимать сущность проводимых опытов;

6. уметь строить графики, рабочие характеристики и векторные диаграммы;

7. уметь анализировать состояние объекта исследования при изменении электрических величин;

8. уяснить назначение каждого прибора и устройства на стенде.

Лабораторная работа №1

Испытания однофазного трансформатора

Цель работы: изучение устройства, принципа действия и исследование трансформатора опытным путем (опыт холостого хода и короткого замыкания, работа под нагрузкой).

1. Описание установки

Испытываемый однофазный трансформатор напряжения типа

УТН-1 (универсальный трансформатор напряжения). Схема трансформатора представлена на рис. 1.1. Первичная обмотка АХ, вторичная – ах.

Паспортные данные:

0. установка внутренняя;

1. число фаз - одна;

2. частота - 50 Гц;

3. максимальная мощность - 300ВА;

4. вес - 23кг.

Рис. 1.1

Испытываемый трансформатор относится к серии трансформаторов малой мощности, величина которой не превышает 1000 ВА. Эти трансформаторы широко применяются в радиотехнике, автоматике, импульсной технике и т.д. В зависимости от назначения и функций, выполняемых трансформаторами в электрических цепях, различают трансформаторы силовые, измерительные, импульсные, входные, выходные, согласовывающие. Из всех этих видов трансформаторов малой мощности наиболее широкую группу составляют силовые трансформаторы, питающие электрические цепи.

Испытываемый трансформатор (по устройству) представляет однофазный двухобмоточный трансформатор с воздушным охлаждением. Он содержит первичную – 1 и вторичную – 2 обмотки, магнитопровод или сердечник – 3 (рис. 1.2). Первичная обмотка (рис. 1.2) предназначена для создания основного магнитного потока Ф, замыкающегося по сердечнику, и потока рассеяния Ф_1, замыкающегося по воздуху. Основной магнитный поток изменяется по синусоидальному закону:

Ф

I₂

Ф = Ф_m sint , (1.1)

г

Ф_1

Ф_2

1

2

3

₁

₂

U₁

U₂

I₁

Рис. 1.2

де Ф_{m ­} – амплитудное значение основного магнитного потока; =2f – угловая частота. Магнитный поток Ф, изменяющийся по величине и направлению, пересекает вторичную обмотку и по закону электромагнитной индукции наводит в ней ЭДС:

e₂ = – w₂, (1.2)

где w₂ – число витков вторичной обмотки. Аналогично наводится ЭДС и в первичной обмотке:

e₁ = – w₁ , (1.3)

где w₁ – число витков первичной обмотки.

Выходным параметром трансформатора является величина ЭДС на вторичной обмотке, которую можно рассчитать при подстановке (1.1) в выражение (1.2):

Е₂ = 4,44w₂fФ_m . (1.4)

Аналогично и для первичной обмотки

Е₁ = 4,44w₁fФ_m . (1.5)

Таким образом, принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции (1.2), (1.3). При этом в трансформаторе магнитный поток Ф_m, а также частота (f = 50 Гц) напряжения U₁ и U₂ являются неизменными величинами. Поэтому значение Е₂, а следовательно, и U₂, зависят от числа витков первичной или вторичной обмотки. Увеличивая или уменьшая w₁ или w₂, соответственно будем увеличивать или уменьшать Е₂, а следовательно, и напряжение на вторичной обмотке.

2. Основные электрические величины

2.1. Коэффициент трансформации

k = , (1.6)

здесь U₁  Е₁, U₂₀ = Е₂ – напряжение на вторичной обмотке при х.х. (холостой ход). Данная величина характеризует трансформатор как повышающий или понижающий. Определяется только из опыта х.х.

2.2. Ток холостого хода., выраженный в процентах:

I_0% = 100, (1.7)

где I₀ – ток холостого хода, выраженный в амперах; I_1Н – номинальный ток первичной обмотки (из паспорта трансформатора).

2.3. Мощность холостого хода

Р_0­ = Р_эл1 +Р_ст , (1.8)

где Р_эл1 = I₀²r₁ – мощность потерь в первичной обмотке, Вт; Р_ст – мощность потерь в магнитопроводе, Вт. Данные мощности расходуются на нагрев первичной обмотки и магнитопровода. Так как Р_эл1 во много раз меньше Р_ст , как минимум в 100 раз, то Р_эл1 можно пренебречь, тогда Р₀  Р_ст.

2.4. Полное сопротивление ветви намагничивания

z₀ =. (1.9)

2.5. Мощность потерь при коротком замыкании (к.з.)

Р_k = I_1k²r_k , (1.10)

где I_1к = I_1н – ток в первичной обмотке при к.з.; – активное сопротивление первичной и вторичной обмоток приведенного трансформатора. Для приведенного трансформатора . Данная мощность расходуется на нагрев обмоток трансформатора.

2.6. Напряжение короткого замыкания, выраженное в процентах:

U_1k% = 100, (1.11)

где U­_1к – напряжение на первичной обмотке при к.з., В.

Напряжение U­_1к можно представить в виде

U_1k% =, (1.12)

где U_ak% = 100 – активная составляющая и – индуктивная составляющая напряжения к.з.

2.7. Сопротивления схемы замещения приведенного трансформатора

Полное сопротивление первичной и вторичной обмоток

. (1.13)

Активное сопротивление первичной и вторичной обмоток

. (1.14)

Индуктивное сопротивление первичной и вторичной обмоток

. (1.15)

Для приведенного трансформатора x_k= x₁+x₂`(x<sub>1</sub>= x<sub>2</sub>`), r_к= r₁+ r₂’(r₁= r₂’).

2.8. Коэффициент полезного действия

, (1.16)

где – коэффициент нагрузки и – активная мощность нагрузки.

2.9. Напряжение на вторичной обмотке

U₂ = U₂₀ - U , (1.17)

где U = К_н(U_акcos₂ + U_ркsin₂) – падение напряжения на вторичной обмотке.

2.10. Коэффициент мощности нагрузки

cos₂ = , (1.18)

где S₂ = U₂I_2­ – полная мощность, отводимая со вторичной обмотки.

2.11. Угол магнитных потерь

 = 90⁰ - ₀, (1.19)

где

3. Домашнее задание

Ознакомиться (по учебнику и конспекту лекций) с устройством, назначением и принципом действия однофазного трансформатора, с режимами работы трансформатора (холостой ход, короткое замыкание, рабочий режим); подготовить таблицы для занесения опытных данных; ознакомиться с порядком выполнения лабораторной работы.

4. Лабораторное занятие

4.1. Опыт короткого замыкания трансформатора

а) Собрать схему согласно рис 1.3.

а'

Т₃

а

b

х

Рис. 1.3

б) Проверить: выведен ли полностью трансформатор (Т₃), т.е. напряжение на его вторичной обмотке должно быть равно нулю (U_1к = 0).

в) Включить схему, и постепенно увеличивая напряжение, установить во вторичной обмотке трансформатора номинальный ток (I_2к =3А).

г) Произвести один замер и данные занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Измерено

Вычислено

U1к

I1к

Рк

I2к

U1к

Uак

Uрк

zк

rк

xк

r1

r2

x1

x2

В

А

Вт

А

%

%

%

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом