Материалы для подготовки к работе. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток той же частоты

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформатор состоит из стального сердечника, собранного из тонких листов электротехнической стали, так же как в катушках индуктивности с ферромагнитным сердечником, изолированных друг от друга с целью снижения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи. На сердечнике однофазного трансформатора (рис. 7.1) в простейшем случае расположены две обмотки, выполненные из изолированного провода. К первичной обмотке подводится питающее напряжение U ₁. Со вторичной его обмотки снимается напряжение U ₂, которое подводится к потребителю по электрической энергии.

Во многих случаях трансформатор имеет не одну, а две или несколько вторичных обмоток, к каждой из которых подключается свой потребитель электроэнергии.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, который реализуется следующим образом. При протекании переменного тока по первичной катушке в стальном сердечнике возникает переменный магнитный поток Ф
(рис. 7.1).

 

Рис. 7.1. Схема, поясняющая работу трансформатора

 

Магнитный поток Ф, пронизывая витки первичной и вторичной катушек, индуктирует в них ЭДС Е ₁ и Е ₂, которые определяются следующими выражениями:

 

,

,

где Ф_т – амплитудное значение магнитного потока;

W ₁ и W ₂ – число витков первичной и вторичной обмоток;

f – частота изменения тока и напряжения источника переменного тока. В лабораторной работе f = 50 Гц.

Таким образом соотношение ЭДС Е ₁ и Е ₂ обмоток трансформатора зависит от соотношения количества витков первичной и вторичной обмоток W ₁ и W ₂.

Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации трансформатора (n_T).

 

Если W ₁> W ₂, то Е ₁ >E ₂ и трансформатор будет понижающий.

Если W ₁< W ₂, то Е ₁< E ₂ и трансформатор будет повышающий.

При исследовании появляется необходимость проведения опыта холостого хода трансформатора. Этот опыт проводится в целях определения коэффициента трансформации n_T, магнитного потока Ф_т, а также потерь мощности Р _{т ном} в сердечнике магнитопровода трансформатора при номинальном режиме.

При опыте холостого хода к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение, равное номинальному его значению U _{1 ном}. Вторичная обмотка трансформатора при этом разомкнута, так как в цепи ее отсутствует нагрузка. В результате этого ток во вторичной обмотке оказывается равным нулю (I ₂ = 0), в то время как в цепи первичной обмотки трансформатора будет ток холостого хода I ₀, значение которого обычно невелико и составляет порядка 4-10% от номинального значения тока в первичной обмотке I _1ном. С увеличением номинальной мощности трансформатора относительное значение тока холостого хода снижается.

На холостом ходу, когда падение напряжения в трансформаторе мало, отношение ЭДС Е ₁ и Е ₂ можно заменить отношением напряжений на зажимах обмоток трансформатора U _B и U _H т.е.

 

Воспользовавшись вторым законом Кирхгофа для первичной и вторичной цепи трансформатора в режиме холостого хода, можно получить следующие уравнения электрического равновесия:

- для первичной цепи: ;

- для вторичной цепи: ,

где - полное сопротивление первичной обмотки.

При работе с нагрузкой вторичная цепь замкнута по ней протекает под действием ЭДС Е ₂ ток нагрузки I ₂. В этом случае для вторичной цепи можно записать уравнение:

 

,

где - полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Из последнего уравнения видно, что с увеличением тока I ₂ напряжение U ₂ уменьшается. Это явление хорошо видно на внешней характеристике трансформатора (рис. 7.2), т.е. зависимости напряжения на зажимах вторичной обмотки U ₂ от тока нагрузки I ₂ при постоянном первичном напряжении и частоте cos φ.

 

Рис. 7.2. Внешняя характеристика трансформатора:

U _2xx – вторичное напряжение трансформатора на холостом ходу.

U _2н – вторичное напряжение при номинальной нагрузке трансформатора.

I _2x – ток вторичной цепи при номинальной нагрузке трансформатора.

 

Разность между вторичным напряжением при холостом ходе (U_2xx) и вторичным напряжением при нагрузке (U _2н) называется потерей напряжения в трансформаторе (Δ U ₂).

 

или

.

КПД современных трансформаторов весьма высок. С увеличением номинальной мощности трансформатора КПД растет, причем для мощных трансформатором он достигает значений порядка 98-99%.

Короткое замыкание трансформатора – это работа трансформатора при пониженном первичном напряжении и коротко замкнутых зажимах вторичной обмотки трансформатора.

Мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, расходуется на покрытие потерь в стали. Мощность, потребляемая трансформатором при коротком замыкании, идет на потери в меди, т.е. в обмотках трансформатора.

 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с приборами и установкой, записать технические данные однофазного трансформатора разборного типа ТР-1 и приборов (табл. 7.1).

 

Таблица 7.1

Техническая характеристика приборов и аппаратов

Наименование прибора	Система прибора	Класс точности	Пределы измерений	Цена деления

 

2. Изучить правила и порядок выполнения работы.

3. Собрать схему для испытания трансформатора (рис. 7.3) и дать ее проверить преподавателю.

4. Выполнить опыт холостого хода при номинальном значении приложенного напряжения U _1H = 220 В. Номинальное напряжение установить лабораторным трансформатором типа ЛАТР-2М, включенным в первичную обмотку испытываемого трансформатора. Измерить U _1H, I ₀, P ₀, U ₂₀, данные записать в табл. 7.1.

5. Выполнить опыт короткого замыкания. На первичную обмотку подать с помощью автотрансформатора пониженное напряжение (4-11% от U _1Н) от 0 до такого значения U _k, при котором токи в обмотках трансформатора достигнут номинального значения I _1H, I _2H (см. расчетные формулы). Измерить: U _k, I _1k = I _1H, I _2H = I _2k, P _k – данные измерений записать в табл. 7.3.

6. Выполнить опыт работы трансформатора при активной нагрузке. Провести 5 измерений, увеличивая ток во вторичной обмотке трансформатора с помощью реостата от I ₂ = 1 A до I ₂ = 3 A (через 0,5 А). При опыте приложенное первичное напряжение поддерживать постоянным и равным U _1H = 220 B. Измерить U _1H, U ₂, I ₁, I ₂, P ₂. Данные измерений записать в табл. 7.4.

7. Показать преподавателю результаты опытов.

8. Разобрать схему, привести в порядок рабочее место.

 

Рис. 7.3 Схема подключения трансформатора

 

9. По данным опытов определить:

а) коэффициент трансформации n;

б) потери в стали Р _ст;

в) параметры короткого замыкания Z _k, R _k, X _k;

г) активную и реактивную составляющие напряжения U _ka, U _kp;

д) потери в меди Р _м;

е) значения η, U ₂;

10. Построить кривые КПД (рис. 7.4) η = f (β):

а) по экспериментальным данным табл. 7.4 (при cos φ = 1);

б) расчетным путем (при cos φ = 0.8).

11. Построить внешние характеристики (рис. 7.5) – U ₂ = f (β):

а) по экспериментальным данным табл. 7.4 (при cos φ =1);

б) расчетным путем (при cos φ = 0.8).

 

Рис. 7.4. Зависимость КПД трансформатора от коэффициента нагрузки:
1 – cos φ = 1; 2 – cos φ = 0.8

 

Рис. 7.5. Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от коэффициента нагрузки: 1 – cos φ = 1; 2 – cos φ = 0.8

 

12. Составить отчет о работе.

Отчет должен содержать следующие основные разделы:

- принципиальную схему опытной установки;

- технические характеристики приборов и аппаратов;

- краткое описание порядка и характера проведенных исследо­ваний;

- таблицы измерений;

- расчетные формулы и таблицы расчетных данных;

- графики;

- выводы.

 

Таблица 7.2

Опыт холостого хода

U 1H, B	U 20, B	I 0, A	P 0, Вт

 

Таблица 7.3

Опыт короткого замыкания

U k, B	I 1k, A	I 2k, А	Р к, Вт

 

 

Таблица 7.4

Опыт работы трансформатора под нагрузкой

№ опыта	U 1H, B	U 2, B	I 1, A	I 2, A	P 1, Вт