Исследование работы однофазного трансформатора

7.1. Цель работы

Ознакомиться с устройством и работой однофазного трансформатора.

Освоить приемы лабораторных исследований различных режимов работы трансформатора, определения его параметров, расчета и построения характеристик.

7.2. Задание по работе

1. Ознакомиться с лабораторной установкой и записать паспортные номинальные параметры трансформатора: U_1Н, S_Н, I_1Н, I_2Н.

2. Собрать схему испытания однофазного трансформатора (рис.7.1).

3. Выполнить опыты холостого хода, короткого замыкания и нагрузки трансформатора.

4. По результатам опытов сделать необходимые расчеты и заполнить соответствующие таблицы в разделах "Вычислено".

5. Построить внешнюю характеристику трансформатора, используя экспериментальные данные опытов нагрузки.

6. По данным опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатора построить расчетную зависимость h = f(b).

7.3. Основные теоретические положения

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одного переменного напряжения в другое (или несколько других) той же частоты.

Область применения трансформаторов очень широка. По назначению они подразделяются на силовые, сварочные, измерительные и т.д. Этим объясняется их конструктивное разнообразие и большой диапазон мощностей.

Трансформатор состоит из стального магнитопровода, на который устанавливается две или более обмоток. Одна из обмоток является первичной. Если к первичной обмотке подвести напряжение U₁ от источника питания переменного тока, то под действием этого напряжения в витках обмоток w₁ начнет протекать ток i₁, создающий магнитодвижущую силу i₁w₁, которая в свою очередь создаст переменный основной магнитный поток Ф₀. Этот поток, замыкаясь по стальному магнитопроводу, оказывается сцепленным как с первичной, так и со вторичной (или вторичными) обмоткой и индуцирует в первичной обмотке э.д.с. самоиндукции:

(7.1)

а во вторичной - э.д.с. взаимоиндукции:

e₂=-w₂(dФ/dt) (7.2)

При синусоидальном первичном напряжении магнитный поток также будет синусоидальным: Ф = Ф_msinwt. Тогда (7.1) и (7.2) можно записать в виде

(7.3)

и

(7.4)

где E_1m и E_2m - амплитудные значения э.д.с. первичной и вторичной обмоток.

Соответственно действующие значения первичной и вторичной э.д.с.

(7.5)

, (7.6)

где f - частота переменного тока.

Отношение э.д.с. первичной обмотки к вторичной называется коэффициентом трансформации:

h=E₁/E₂=w₁/w₂ (7.7)

Основными характеристиками трансформатора являются мощность, напряжение, токи и др., которые в виде номинальных параметров (S_Н, U_1Н, U_2Н, I_1Н, I_2Н и т.д.) указываются в паспортах трансформаторов.

Часть параметров h, I₁₀, U_k определяется опытным путем в результате опытов холостого хода и короткого замыкания.

КПД трансформаторов определяется как h=P₂/P₁.

КПД современных трансформаторов очень высок, и у мощных трансформаторов может превышать 0,99. По этой причине прямое определение его затруднительно (по причине ошибок измерения). Поэтому чаще применяют косвенное измерение КПД по результатам опытов короткого замыкания и холостого хода:

, (7.8)

где Р₀ и Р_к - мощности потерь при опытах холостого хода и короткого замыкания;

b - коэффициент нагрузки трансформатора;

cos j₂ - коэффициент мощности приемника.

Так как при холостом ходе трансформатора ток в первичной обмотке мал, то соответственно малы и потери мощности в этой обмотке. Следовательно, потери будут иметь место лишь в магнитопроводе (т.н. потери в стали) т.е. Р_о » Р_ст.

При опыте короткого замыкания ток в обмотках равен номинальному, а первичное напряжение мало. Поэтому пропорционально связанный с этим напряжением магнитный поток также мал и потери в сердечнике трансформатора будут незначительны. Следовательно, потери мощности будут только в обмотках трансформатора (т.н. потери в меди) Р_кН » Р_м.

Наряду с опытами холостого хода и короткого замыкания важными также являются опыты нагрузки трансформатора, по результатам которых проверяются его номинальные параметры и снимается внешняя характеристика, определяющая зависимость вторичного напряжения U₂ от тока I₂ при постоянном коэффициенте мощности cosj₂ приемника и номинальном первичном напряжении U₁ = U_1H.

7.4. Порядок выполнения работы и обработки

результатов измерения

1. Для выполнения опыта холостого хода трансформатора отключите выключатель SA (рис.7.1) и установите ЛАТРом напряжение U₁ = U_1H. Данные опыта холостого хода запишите в табл.7.1.

Рис.7.1.Схема испытания трансформатора

2. По данным опыта холостого хода определите параметры трансформатора в соответствии с разделом "Вычислено" табл.7.1:

- коэффициент трансформации:

; (7.9)

- значение тока холостого хода, %:

; (7.10)

- активное сопротивление цепи намагничивания, Ом:

; (7.11)

- полное сопротивление цепи намагничивания, Ом:

; (7.12)

- индуктивное сопротивление цепи намагничивания, Ом:

; (7.13)

- коэффициент мощности холостого хода:

; (7.14)

- угол магнитного запаздывания, град.:

, (7.15)

где .

Таблица 7.1

Результаты опыта холостого хода

Измерено	Вычислено
I10, А	P0, Вт	U1H, В	U20, В	h	I10*, %	rm, Ом	Zm, Ом	Xm, Ом	cosj0	d

3. Для проведения опыта короткого замыкания трансформатора выведите ЛАТР в исходное (нулевое) положение и обесточьте испытуемую цепь (рис.7.1). После этого замкните вторичные зажимы (а,х) трансформатора накоротко, включите питание и, плавно поднимая ЛАТРом напряжение, установите ток I₁ = I_1н. Данные измерений запишите в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Результаты опыта короткого замыкания

Измерено	Вычислено
U, B	I, A	РК , Вт	UК , %	rК, Ом	ZК, Ом	ХК, Ом

4. По данным опыта короткого замыкания определите соответствующие параметры трансформатора:

- напряжение короткого замыкания, %

U_к = (U_1К / U_1Н)100%; (7.16)

- активное сопротивление короткого замыкания, Ом

R_К=Р_К/I²_1Н; (7.17)

- полное сопротивление короткого замыкания, Ом

Z_к=U_к/I_1Н; (7.18)

- индуктивное сопротивление короткого замыкания, Ом

. (7.19)

Найденные значения параметров занесите в раздел "Вычислено" табл.7.2.

5. Для проведения опытов нагрузки трансформатора о обесточьте схему испытания, снимите закорачивающую перемычку и включите выключатель SA. Установите в первичной цепи номинальное напряжение U₁ = U_1Н и, изменяя с помощью реостата R нагрузку, снимите 5 - 6 точек показаний при значениях тока I₂ < 1,5 I_2Н.

Результаты измерений занесите в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Результаты опытов нагрузки трансформатора

Номер опыта	Измерено	Вычислено
U1Н, в	I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А	P2, Вт	cos(j)	h	b	PП, Вт	PПР, Вт

6. По результатам опытов нагрузки вычислить и записать в табл.7.3 следующие значения параметров трансформатора:

- коэффициент мощности

соsj₁=Р₁/(U_1HI₁); (7.20)

- коэффициент полезного действия

h=(P₂/P₁)*100%; (7.21)

- мощность потерь, Вт

P_П=P₁-P₂ и P_пр=b²Р_КН + Р₀; (7.22)

- коэффициент нагрузки

b=I₂/I_2Н. (7.23)

7. Используя результаты опыты нагрузки (табл.7.3), построить внешнюю характеристику трансформатора U₂ = f(I₂).

Контрольные вопросы

1. Что такое трансформатор?

2. Область применения трансформаторов.

3. Коэффициент трансформации и его определение.

4. Что называют опытом холостого хода?

5. Суть и назначение опыта короткого замыкания.

6. От чего зависят потери в стали и обмотках трансформатора и по результатам каких опытов их можно определить?

7. Что такое коэффициент нагрузки трансформатора?

8. Как определить КПД трансформатора?

9. Отличается ли э.д.с. трансформатора от напряжения на его обмотках при холостом ходе и при нагрузке?

10. Как можно уменьшить потери трансформатора?

11. Что такое внешняя характеристика трансформатора и как она рассчитывается?

12. Как определяется коэффициент мощности трансформатора?

13. Как найти полную мощность, потребляемую трансформатором?

14. Как определить полное, активное и индуктивное сопротивления обмотки трансформатора?

Литература [1, c.237-253; 2, c.135-159; 3, c.196-211]