Краткие теоретические сведения. Цель работы.Ознакомление с принципом работы, характеристиками и методами исследования однофазных трансформаторов

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы. Ознакомление с принципом работы, характеристиками и методами исследования однофазных трансформаторов.

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.

Рис. 1

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

Коэффициент передачи есть обратная величина коэффициенту 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 будут изменяться по синусоидальному закону:

где и - амплитудные значения ЭДС соответственно в первичной и вторичной обмотке.

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 соответ-ствующим 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;

– активное сопротивление вторичной обмотки;

– индуктивное сопротивление вторичной обмотки, 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 трансформатора, 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

Также 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 в режиме холостого хода; - 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 рис. 3.

Рис. 2 Рис. 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 трансформаторе являются магнитными потерями в магнитопроводе, обусловленные действием вихревых токов и гистерезиса (перемагничивание стали).

Качественные рабочие характеристики трансформатора в нагрузочном режиме приведены на рис. 4.

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 ток во вторичной обмотке соответствовал номинальному значению . 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.

Результаты выполнения рабочего задания:

1. Ознакомились с приборами, аппаратами и оборудованием съемной панели (рис. 5) лабораторного стенда, используемого для испытания однофазного трансформатора, и занесли в таблицу 1 номинальные технические данные исследуемого трансформатора.

Рис. 5

Таблица 1

Номинальная мощность, ВА	Частота, Гц	Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А	Потери, Вт	Uк, %
S₁_ном	f	U₁_ном	U₂_ном	I₁_ном	I₂_ном.	P_x	P_к	%
				0,25	0,73	0,18	3,52	13,3

2. Провели опыт холостого хода трансформатора. В соответствии с принципиальной схемой (рис. 5) собрали электрическую цепь для проведения опыта холостого хода трансформатора. Питание электрической цепи осуществляем от регулируемого источника синусоидального напряжения (с помощью автотрансформатора). Установили напряжение на первичной обмотке трансформатора равным номинальному напряжению . Измерили напряжения и , ток , мощность в первичной обмотке с помощью амперметра , вольтметра и ваттметра , установленными на стенде. Показания приборов занесли в таблицу 2 в строку «опыт х.х.».

Таблица 2

Режим работы	Опыт	Расчет

Опыт х.х.				0,18	10,3			0,158	0,396
Работа под нагрузкой				0,44	10,1		0,25	0,155	0,752	0,56	0,034
	64,7		0,71	9,81		0,5	0,151	0,915	0,7	0,07
	64,4		0,92	9,75		0,71	0,151	0,952	0,77	0,1
	64,7		1,3	9,52		1,04	0,147	1,005	0,8	0,15
	64,1		2,06	9,01		1,6	0,14	1,004	0,77	0,25
	64,3		3,15	8,3		2,4	0,129	0,999	0,76	0,38
			4,78	7,24		3,2	0,113	0,995	0,66	0,62
Опыт к.з.		29,3		3,52				0,163	1,009

3. По данным опыта холостого хода определяем параметры схемы замещения трансформатора, представленной на рис. 2, используя следующие соотношения:

, , .

Используя паспортные данные трансформатора пункта 1 рабочего задания, рассчитываем номинальные токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора и заносим их в таблицу 1:

4. Испытываем однофазный трансформатор в режиме нагрузки. В режиме нагрузки трансформатора вторичная цепь замкнута на нагрузочное сопротивление и по ней проходит ток . После того, как ключи и установлены в нужное положение (ключ - замкнут, ключ - разомкнут на рис. 5) при помощи нагрузочного реостата , изменяя сопротивление нагрузки, устанавливаем значения коэффициента нагрузки в диапазоне согласно данным табл. 2. Заполняем строки таблицы 2 «Работа под нагрузкой» трансформатора, используя полученные опытные данные и расчетные соотношения:

· мощность нагрузки ,

· коэффициент мощности ,

· КПД трансформатора .

5. Определяем снижение напряжения на вторичной обмотке при различных значениях коэффициента нагрузки

где – напряжение на вторичной обмотке при заданной нагрузке.

6. Испытываем однофазный трансформатор в режиме короткого замыкания. В опыте короткого замыкания на первичную обмотку подаем пониженное напряжение , при котором токи в обмотках равны номинальным значениям , . Ключ S1 замкнут (рис. 5). Показания приборов заносим в таблицу 2 в строку «Опыт к.з.».