Теоретическое введение. Цель работы:Изучение свойств трансформаторов переменного тока

ТРАНСФОРМАТОРА МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Цель работы: Изучение свойств трансформаторов переменного тока.

Трансформатор (преобразователь) переменного напряжения или тока представляет собой электротехническое устройство, состоящее из стального сердечника и медных или алюминиевых обмоток. Обмотки определённым образом намотаны плотно намотаны на сердечник рис. 4.

Рис. 4. Конструкция трансформатора с Ш-образным сердечником

Промышленные трансформаторы исполняются в герметичном корпусе с воздушной или масляным изоляторами рис. 5.

Рис. 5. Промышленный понижающий трансформатор

Простейший понижающий трансформатор, показанный на рис. 4, состоит из сердечника и двух обмоток: первичной (с большим числом витков, наматываемым непосредственно на керн сердечника) и вторичной (с меньшим числом витков, наматываемым поверх первичной обмотки).

Трансформаторы предназначены для преобразования уровней токов и напряжений.

Различают силовые и измерительные трансформаторы.

Силовой трансформатор предназначен для преобразования электрической энергии одного уровня напряжения и, соответственно, токов в другой. Различают повышающий и понижающий трансформаторы. Повышающий трансформатор необходим для повышения напряжения, а понижающий — для его уменьшения.

Измерительные трансформаторы (трансформаторы тока и напряжения) являются вспомогательными элементами электроустановок и предназначены для снижения токов или напряжений до значений, которые могут быть измерены стандартными измерительными приборами. К этим трансформаторам подключают также различные реле защиты и электроавтоматики. Измерительные трансформаторы, кроме того, электрически (гальванически) отделяют силовые (первичные) цепи от вторичных (измерительных). Благодаря этому существенно повышается безопасность эксплуатации и обслуживания измерительных приборов и реле.

Принцип действия трансформатора основан на использовании явления электромагнитной индукции, т. е. на создании ЭДС переменным магнитным полем. В соответствии с законом электромагнитной индукции напряжение (мгновенное значение), созданное током i на обмотке с индуктивностью L, равно

, где

- производная (математическое понятие) тока по времени.

Можно записать указанное выражение иначе:

,

где Ψ — потокосцепление обмотки.

При переменном синусоидальном напряжении для обмотки с ферромагнитным сердечником (например, стальным рис. 6) справедливо выражение

,

где B_m — амплитуда магнитной индукции в сердечнике (должна быть не более 1,0... 1,5 Тл); U - действующее значение напряжения на обмотке; f — частота напряжения; k_ф = 1,11 — коэффициент формы синусоидального тока или напряжения; w, F — число витков обмотки и сечение сердечника (магнитопровода), м².

Рис. 6. Принцип действия трансформатора

Последнее выражение можно записать иначе:

Обычно амплитуда магнитной индукции В = 1 Тл, тогда можно найти так называемое число вольт на один виток обмотки трансформатора:

U_уд=U/W=4k_фfB_mF=222F, В/вит

где F измеряется в м².

Если сечение F измеряется в см², то

U_уд =0,0222F(см²), В/вит.

Число витков обмотки на напряжение (например) 220 В равно

Преобразование уровня напряжения с помощью трансформатора объясняется следующим образом. Пусть имеется магнитопровод с обмотками, имеющими число витков w₁ (первичная обмотка) и w₂ (вторичная обмотка). К первичной обмотке приложено переменное синусоидальное напряжение U₁ которое создает ток I₁, в первичной обмотке и магнитное поле в магнитопроводе с индукцией В_m и, соответственно, магнитный поток Ф в магнитопроводе. Указанный поток создает потокосцепление Ψ₂ вторичной обмотки, равное Ψ₂ = Фw₂, и первичной обмотки — Ψ₁, = Фw_г Так как потокосцепления обмоток в свою очередь равны

,

то отношение U₁/U₂ оказывается равным отношению w₁/w₂. Отношение числа витков обмоток называют коэффициентом трансформации. Коэффициент трансформации равен отношению к_т = U₁U₂.

Следует подчеркнуть, что мощности на входе и выходе трансформатора равны (если пренебречь потерями в трансформаторе)

S₁ = U₁I₁ ≈S₂=U₂I₂.

Таким образом, если пренебречь потерями в трансформаторе, полные мощности (а также активные и реактивные), входящие в трансформатор, равны выходящим мощностям.

Потери активной мощности в трансформаторе складываются из потерь в магнитопроводе (на вихревые токи, гистерезис) и в обмотках. Последние обусловлены активными сопротивлениями обмоток. Потери в магнитопроводе называют потерями холостого хода Р_х, а в обмотках при прохождении номинальных токов по ним — потерями короткого замыкания Р_k.

Суммарные потери активной мощности и энергии в трансформаторе относительно невелики и не превышают нескольких (не более двух-пяти) процентов.

Конструкция:

Параметры трансформатора

Результаты эксперимента.

Характеристики холостого хода.

Эксперимент	U1, B								220
Io, A	0,00334	0,005	0,0085	0,0112	0,013	0,019	0,033	0,052	0,07375
Po, Вт	0,0124	0,3	0,6	0,83	1,43	2,28	3,35	5,24	7,2
U2o, В	6,5	10,2	13,8	16,55	20,2	23,9	26,8	30,194	33,2
Расчет	cosɥ0	0,8200000	0,7920000	0,0748	0,7330000	0,0692000	0,6230000	0,0658000	0,0395000	0,2800000

Эксперимент	Uк, %	3,5		10,5		17,5		24,5		31,5
Iк, A	0,17968	0,0435	0,064	0,0865	0,1379	0,13589	0,142	0,1791	0,1969
Pк, Вт	0,0595	0,0258	0,598	1,082	1,522	2,385	3,32	4,27	5,432
Расчет	cosɥк	0,0946126	0,0847291	0,8898810	0,8934765	0,6306848	0,8357600	0,9542972	0,8514796	0,8757971

Характеристики короткого замыкания.

U1=U1n=220B	cosɥn=1
Эксперимент	Rn1, Ом
I1, A	0,178	0,14	0,11	0,1	0,09	0,08	0,08	0,08
P1,Вт			22,9	19,5		15,5	13,9	13,1
U2, В	25,84	26,5	26,5	27,1	27,5	26,6	27,4	26,9
I2, А	1,2	0,87	2,64	0,5	0,45	31,7	0,32	0,3
P2, Вт	32,52	23,7	17,4	14,5	12,42	10,8	9,5	3,1
Расчет	Ƞ%	79,2		76,5	74,4	72,82	67,9	68,2	61,8

Вывод: В результат опыта были выявлены следующие свойства трансформатора: в режиме холостого хода с возрастанием U на первой обмотке, I и P увеличиваются по нарастающей. В режиме короткого замыкания, с возрастанием V на первой обмотке P_к возрастает по линейному закону, а косинус ɥк остается стабилен. В режиме работы трансформатора под нагрузкой с возрастанием R, сила тока в обеих обмотках снижается. При уменьшении силы тока второй обмотки, напряжение U₂ уменьшается, а Ƞ изменяется по квадратичному закону.

Студент Глущенко К.В. ИАФ V-2

Дата добавления: 2015-05-06