ленинградский

ордена ленина и ордена октябрьской революции институт инженеров железнодорожного транспорта

имени академика В. Н. ОБРАЗЦОВА

Кафедра «Электротехника»

ИССЛЕДОВАНИЕ

ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

«Электротехника»

ЛЕНИНГРАД

I988

Цель работы – ознакомление с устройством однофазного трансформатора, определение его основных параметров и характеристик.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Трансформатором называется статический, т.е. без движущихся частей, электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока той; же частоты, но другого напряжения.

Простейший трансформатор однофазного тока состоит из двух обмоток, расположенных на общем магнитопроводе (сердечнике), причем обмотки электрически изолированы друг от друга и от магнитопровода.

Обмотка трансформатора, подключенная к источнику электрической энергии, называется первичной. Первичными называются и все величины, относящиеся к этой обмотке: ЭДС, ток, число витков и др.

Обмотка, к которой подключен потребитель электроэнергии, и относящиеся к этой обмотке величины называются вторичными.

Как всякое электротехническое устройство, трансформатор рассчитан на нормальную работу при определенных значениях частоты, мощности, токов и напряжений, называемых номинальными. Номинальные значения указываются на заводском щитке трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Энергия из первичной обмотки во вторичную обмотку передается посредством магнитного потока взаимной индукции, замыкающегося по магнитопроводу. Магнитопровод набирают из изолированных листов электротехнической стали. За счет этого уменьшаются потери от вихревых токов.

Если первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного тока, а вторичная – разомкнута, то такой режим работы называется холостым ходом (XX). Трансформатор в этом режиме представляет собой обычную катушку индуктивности со стальным сердечником. По первичной обмотке протекает переменный ток, создающий в сердечнике магнитный поток, изменяющийся по закону синуса:

.

Этот поток индуктирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, а во вторичной – ЭДС взаимной индукции, мгновенные значения которых соответственно равны:

;

.

Действующие значения этих ЭДС соответственно таковы:

;

.

Отношение действующих (или амплитудных) значений этих ЭДС равно отношению чисел витков и называется коэффициентом трансформации:

.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа уравнение равновесия напряжений в комплексной форме для первичной обмотки при XX имеет вид

,

где – комплексное сопротивление первичной обмотки.

В режиме XX ввиду малой величины тока холостого хода падением напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях можно пренебречь и считать, что приложенное напряжение уравновешивается ЭДС, т.е. они равны друг другу по величине:

.

С некоторой погрешностью можно считать справедливым последнее равенство и для режима нагрузки, когда падение напряжения больше, чем при XX, но все равно не превосходит 2-5% от напряжения .

Поскольку первичное напряжение имеет неизменное значение, частота Гц – тоже постоянная величина, можно сделать очень важный вывод: трансформатор при изменении нагрузки работает практически с постоянной величиной магнитного потока в сердечнике.

Если вторичная обмотка замкнута на сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС в цепи этой обмотки начинает протекать ток, который в соответствии с принципом Ленца создает магнитный поток, направленный встречно с магнитным потоком первичной обмотки. Однако, как уже говорилось, в сердечнике должна сохраниться та же величина магнитного потока, что и при холостом ходе, поэтому ток в первичной цепи должен увеличиваться настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие вторичной обмотки. Это иллюстрируется уравнением равновесия магнитодвижущих сил в комплексной форме

.

Поделив обе части уравнения на , получим уравнение для токов.

,

где – так называемый приведённый ток вторичной обмотки.

Как известно, операция приведения вторичной обмотки представляет собой замену реального трансформатора некоторым эквивалентным ему с числом витков вторичной обмотки, равным числу витков первичной обмотки.

Для сохранения основных энергетических показателей такими же, как у реального трансформатора, необходимо надлежащим образом рассчитать все вторичные величины приведённого трансформатора. Так, приведенный ток вторичной обмотки связан с током реального трансформатора соотношением, ЭДС , активное сопротивление , индуктивное сопротивление . После приведения вторичной обмотки к первичной можно перейти к схеме замещения трансформатора и построить совмещенную векторную диаграмму, что значительно упрощает исследование работы трансформатора при различных режимах работы.

В трансформаторе, помимо потока взаимной индукции , замыкающегося по сердечнику, существуют потоки рассеяния, сцеплённые каждый со своей обмоткой. Они замыкаются в основном по воздуху, обладающему большим магнитным сопротивлением, и поэтому малы по сравнение с потоком . Магнитные поля рассеяния первичной и вторичной обмоток не участвуют в передаче энергии из одной обмотки в другую. Создаваемые ими ЭДС самоиндукции принято учитывать в виде падений напряжения на индуктивных сопротивлениях рассеяния и первичной и вторичной обмоток.

В процессе преобразования энергии часть ее теряется в самом трансформаторе. Потери энергии в обмотках трансформатора (электрические потери) и его сердечнике (магнитные потери) выделяются в виде тепла и обусловливает нагревание трансформатора.

Потери в обмотках зависят от нагрузки, т.е. являются переменными:

.

Магнитные потери обусловлены вихревыми токами и явлением перемагничивания (гистерезиса) и зависят от квадрата потока и частоты в степени :

где – постоянный для данного типа трансформатора коэффициент.

Поскольку трансформатор работает при неизменных значениях частоты и магнитного потока, магнитные потери не зависят от нагрузки и называются постоянными. Коэффициент полезного действия трансформатора представляет собой отношение отдаваемой мощности к получаемой :

или .

Коэффициент полезного действия силовых трансформаторов при номинальной нагрузке очень высок. У трансформаторов большой мощности он превышает 99%. По этой причине почти не применяется прямое определение КПД трансформатора на основании непосредственного измерения и (для получения удовлетворительных результатов нужно было бы измерять и с такой высокой степенью точности, какую практически получить очень трудно).

КПД трансформатора в номинальном режиме можно определить косвенно на основании прямого измерения общих потерь следующим образом

.

Для измерения потерь трансформатор испытывают в двух режимах: холостого хода при номинальном напряжении и короткого замыкания (КЗ) при номинальном токе, а затем как бы накладывают оба режима друг на друга и получают картину работы трансформатора в номинальном режиме. Преимуществом этого метода является простота и небольшая мощность, потребная для испытания, определяемая мощностью соответствующих потерь.

Опыты холостого хода и короткого замыкания позволяют получить прямо или косвенно практически все основные параметры и характеристики трансформатора: коэффициент трансформации, потери и КПД при нагрузке, сопротивления короткого замыкания, изменение вторичного напряжения и др.

2. Программа работы

Выполнение работы следует начать с ознакомления с конструкцией трансформатора. Необходимо записать номинальные значения напряжений и токов первичной и вторичной обмоток, а также данные электроизмерительных приборов.

1. Выполнить опыт холостого хода при номинальном напряжении на первичной обмотке. По результатам опыта вычислить коэффициенты трансформации и мощности и ток холостого хода в процентах от номинального напряжения.

2. Выполнить опыт короткого замыкания при номинальном значении тока в первичной обмотке. По результатам опыта определить коэффициент мощности, параметры и напряжение короткого замыкания в процентах от номинального напряжения.

3. Исследовать трансформатор при работе на активную нагрузку () По результатам опыта построить внешнюю характеристику, а также зависимость КПД и коэффициента мощности от тока вторичной обмотки.

4. Исследовать трансформатор при работе на емкостную () и активно-индуктивную нагрузку (). По результатам опыта построить те же зависимости, что и в п.3 (УИРС).

5. Используя опытные параметры короткого замыкания, рассчитать изменение напряжения на вторичной обмотке трансформатора для номинального тока в случае реактивной, смешанной активно-индуктивной и емкостной нагрузках. Вычислить величину вторичного напряжения и построить в одной и той же системе координат расчетные внешние характеристики для всех трех случаев нагрузки, а также опытные внешние характеристики (УИРС),

1. Опыт холостого хода. Если вторичная обмотка трансформатора разомкнута (), такой режим работы, как уже говорилось, называется холостым ходом. Опыт XX проводится при номинальном значении напряжения на первичной обмотке.

Для проведения опыта XX собирается схема по рис.1. Номинальное напряжение на первичной обмотке устанавливается с помощью автотрансформатора (AT). Результаты опыта заносятся в табл.1.

Таблица 1

Измерено				Вычислено			Примечание
, В	, А	,ВТ	, В

Поскольку ток холостого хода составляет 3...7 % от номинального, то для опыта XX необходимо подобрать амперметр и ваттметр с соответствующими пределами измерения.

По результатам опыта XX определяется:

а) коэффициент трансформации

;

б) ток ХХ в процентах от номинального тока первичной обмотки

;

в) коэффициент мощности

.

Рис.1

Поскольку при XX приложенное к первичной обмотке напряжение практически равно ЭДС , а напряжение на разомкнутой вторичной обмотке представляет собой ЭДС , то отношение напряжений на обмотках в режиме XX равно отношению ЭДС, т.е. коэффициенту трансформации . Ввиду малой величины тока XX электрическими потерями в первичной обмотке можно пренебречь и считать мощность опыта XX равной магнитным потерям , т.е. постоянным потерям.

2. Опыт короткого замыкания. Различают два вида короткого замыкания – опытное и аварийное. Аварийное короткое замыкание происходит в условиях эксплуатации при случайном закорачивании зажимов вторичной обмотки, когда первичная обмотка включена на номинальное напряжение. В обмотках трансформатора возникают недопустимо большие токи, и трансформатор должен быть отключен от питающей сети специальной защитой.

Опытное короткое замыкание делается при сильно пониженном напряжении на первичной обмотке. Напряжение при опыте КЗ устанавливают такой величины, чтобы по обмоткам трансформатора протекали номинальные токи и . Это напряжение, вычисленное в процентах от номинального первичного напряжения, называется напряжением короткого замыкания и является одним из важнейших параметров трансформатора, указываемом на его заводском щитке. В серийных трансформаторах напряжение короткого замыкания составляет от 3 до 10%.

.

Поскольку при КЗ напряжение вторичной обмотки , все приложенное к первичной обмотке напряжение уравновешивается падениями напряжения внутри трансформатора на активных и индуктивных сопротивлениях его обмоток. В режиме опытного КЗ магнитный поток в сердечнике из-за малой величины первичного напряжения настолько мал, что магнитными потерями можно пренебречь и считать, что мощность КЗ равна суммарным электрическим потерям в обмотках:

.

Таким образом, по данным опытов КЗ и XX можно вычислить КПД трансформаторов в номинальном режиме, т.е. когда он работает при номинальном первичном напряжении и при номинальных значениях токов в обмотках:

,

где – общие потери в номинальном режиме.

Опыт КЗ позволяет также определить сопротивления КЗ, необходимые для расчета изменения вторичного напряжения при нагрузке и построения внешних характеристик.

Для проведения опыта КЗ собирается схема по рис.2. Опыт проводится следующий образом: вторичная обмотка закорачивается через амперметр , внутреннее сопротивление которого близко к нулю. Движок автотрансформатора должен находиться в крайнем нулевом положении. Включив питание AT, плавно повышают напряжение до такой величины, при которой токи в обмотках равны своим номинальным значениям (по паспортным данным трансформатора). Результаты опыта заносятся в табл.2.

Рис.2

Таблица 2

Измерено				Вычислено
, В	, А	, А,	, Вт	, %		, Ом	, Ом	, Ом

При выполнении опыта КЗ для повышения точности измерений ваттметра его обмотка напряжения переключается на пониженный предел.

По данным опыта вычисляются параметры КЗ:

а) напряжение КЗ

;

б) полное сопротивление КЗ

;

в) активное сопротивление КЗ

;

г) индуктивное сопротивление КЗ

;

д) коэффициент мощности КЗ

.

В большинстве случаев приведённые к первичной обмотке активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки равны соответствующим сопротивлениям первичной обмотки, поэтому можно получить приближенно значения этих сопротивлений для обеих обмоток:

; .

При этом параметры вторичной обмотки

; .