Лабораторная работа 7. Изучение однофазного трансформатора

Цель работы:

Изучение устройства и принципа действия однофазного трансформатора, изучение методов его испытания.

Приборы:

1. Трансформатор.

2. Амперметр с пределами измерений 0,5 ± 1,0 А, 1,0 ± 2,0 А, 5 ± 10 А.

3. Вольтметр с пределами измерений 7,5 ± 60 В, 75 ± 300 В.

4. Ваттметры.

5. Соединительный провод.

I. Теоретическая часть.

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, в котором ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения той же частоты. Процесс подобного преобразования энергии называется трансформацией. Всякий трансформатор является прибором обратимым: может одновременно служить как для повышения, так и для понижения напряжения.

Рис. 1. Принципиальная схема трансформатора

Обмотка, соединенная с источником энергии называется первичной, остальные обмотки, отдающие энергию во вторичную, внешнюю цепь, называются вторичными.

Для испытания однофазного трансформатора применяется опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

Опыт холостого хода:

Холостым ходом работы трансформатора называется такой режим работы, когда к первичной обмотке подведено напряжение, а вторичная обмотка разомкнута. Ток, который идет в это время в первичной обмотке, называется током холостого хода трансформатора и обозначается I₀. Этот ток создает переменный магнитный поток Φ в сердечнике трансформатора. Для мгновенного значения э. д. с. обмотки можно записать

где W₁и W₂– число витков первичной и вторичной обмотки.

Если приложенное к первичной обмотке напряжение синусоидально, то магнитный поток Φ изменяется по такому же закону

где Φ_m – амплитуда магнитного потока.

Подставляя это выражение в предыдущую формулу и проведя дифференцирование, получим

Действующие значение э. д. с. первичной обмотки равно

а во вторичной обмотке

где f – частота переменного тока.

Разделив одно уравнение на второе, получим коэффициент трансформации трансформатора

Если считать, что и , то

Мощность холостого хода трансформатора расходуется на потери в стали сердечника (состоящие из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи) и потери в меди.

Так как и при холостом ходе потери в меди очень малы по сравнению с мощностью холостого хода Р_хх, то ими можно пренебречь и считать, что мощность холостого хода тратится на потери в стали

Следовательно, опыт холостого хода трансформатора дает возможность определить коэффициент трансформации и потери в стали сердечника трансформатора. Коэффициент мощности при холостом ходе трансформатора равен:

Опыт короткого замыкания:

Опыт короткого замыкания проводится при закороченной обмотке трансформатора. К первичной обмотке подводят такое небольшое напряжение, при котором токи в обмотках равны номинальным. Это пониженное напряжение U₁_k называется напряжением короткого замыкания. U₁_k выражают обычно в процентах от номинального напряжения U_1Н

Потери в опыте короткого замыкания определяются только нагревом обмоток, так как напряжение на первичной обмотке и магнитный поток в сердечнике очень малы.

Параметры схемы могут быть определены по формулам:

Z_k, r_k, X_k - полное, активное и индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Коэффициент мощности при опыте короткого замыкания равен

или

Внешняя характеристика трансформатора.

При изменении нагрузки трансформатора изменяется напряжение на зажимах вторичной обмотки. Изменением напряжения трансформатора U при заданном коэффициенте мощности называется алгебраическая разность между номинальным вторичным напряжением и напряжением, устанавливающимся на зажимах вторичной обмотки при номинальном вторичном токе I₁_H, номинальной частоте f_H и номинальном вторичном напряжении U₁_H. Это изменение определяется процентным отношением к номинальному вторичному напряжению.

Изменение вторичного напряжения трансформатора называется активным и индуктивным падением напряжения в первичной и вторичной обмотке трансформатора. Падение напряжения в обмотках современных трансформаторов незначительно (порядка 2-3%).

Изменение напряжения определяется путем снятия так называемой внешней характеристики трансформатора, т. е. зависимости:

при

(обычно при cosφ = 1 или cosφ = 0,8)

Коэффициент полезного действия трансформатора.

В трансформаторе существует два вида потерь: потери в стали сердечника вследствие гистерезиса и вихревых токов и потери в меди обмоток вследствие нагревания токами. КПД трансформатора определяется формулой

При постоянстве напряжения питающей сети U₁ и частоты f, амплитуда магнитного потока Φ_m практически не зависит от величины нагрузки. Поэтому потери в стали при нагрузке равны потерям холостого хода

Потери в меди Р_м1 можно определить по данным опыта короткого замыкания

где - коэффициент нагрузки.

Активная мощность нагрузки

S_H – номинальная мощность трансформатора.

Подставляя полученные соотношения в исходную формулу, получим:

Задания для самостоятельной работы.

Изучите работу однофазного трансформатора, подготовьте ответы на контрольные вопросы.

Решите задачи:

1. Однофазный трансформатор с номинальной мощностью S_H = 3кВа при напряжении U₁ = 120В имеет при холостом ходе U₂ = 25В. Определить k₁₂, I_1H, I_2H (потерями трансформатора пренебречь).

2. Определить КПД этого трансформатора при токе I₁ = 15А, если известно, что нормальные потери в стали P_cm= 60Вт и в меди P_M= 45Вт.

3. Почему в режиме длительного холостого хода нагревается сердечник трансформатора, а провода обмотки остаются холодными?

4. Почему в испытательном режиме короткого замыкания обмотки нагреваются, а сталь холодная?

5. Чем отличается испытательный режим короткого замыкания от аварийного короткого замыкания во вторичной обмотке?

6. По данным какого опыта определяются потери в обмотках трансформатора?

7. Как изменяются потери в трансформаторе при замене активной нагрузки, реактивной нагрузки, при сохранении полной мощности?

Порядок выполнения работы.

Задание 1

Записать следующие паспортные данные в тетрадь:

Тип прибора.

1. Частота.

2. Номинальная мощность S_H(ВА).

3. Номинальное напряжение , .

4. Номинальный ток , .

5. Напряжение короткого замыкания.

6. Коэффициент мощности трансформатора.

Задание 2

Собрать схему по рис. 2 для опыта холостого хода трансформатора, измерить I₀, P₀при номинальном напряжении U_1.Данные занести в таблицу 1. Вычислить k и . Изменяя напряжение от нуля до номинального (таблица 1), снять 8-10 показаний. Определить потери холостого хода. По данным опыта построить график зависимости

V₂

~ 220

Рис. 2

Таблица 1

ИЗМЕРЕНО	ВЫЧЕСЛЕНО
U_1H, B	I₀, A	P₀, Bm	U₂, B	k	cosφ

Сделать вывод, от чего зависят номинальные потери в стали трансформатора.

Задание 3

Собрать схему по рис. 3 для опыта короткого замыкания. Подвести к первичной обмотке такое пониженное напряжение U₁_k что бы ток I₂_k=I₂_H. Измерить I₁_k,U₁_k,P₁_k, данные занести в таблицу 2. Вычислить r_k, Z_k, X_k, cosφ. Изменяя ток I₂_k от I₂_k=0 до I₂_k=I₂_H, Определить электрические потери. Построить график зависимости

Таблица 2

ИЗМЕРЕНО	ВЫЧИСЛЕНО
I₁_k, A	U_1k, B	I_2k, A	P_1k, Bm	r_k, Oм	Z_k, Oм	X_k, Oм	cosφ

~ 220

Тр.

Рис. 3

Чему равны номинальные потери в меди трансформатора?

Задание 4

Собрать схему по рис. 4. Поддерживая неизменным напряжение U₁, снять внешнюю характеристику трансформатора для чисто активной нагрузки (cosφ=1). Изменяя реостатом нагрзку от I₂=0 до I₂=I₂_H через 1 А, измерить I₁, P₁, U₂, I₂, P₂.

Данные занести в таблицу 3. Вычислить КПД трансформатора при разной нагрузке. По данным опыта построить внешнюю характеристику трансформатора U₂=f(I₂) и график η=f(P₂) используя при этом формулы:

(1)