ВВЕДЕНИЕ. Цель работы: изучение устройства и принципа действия однофазного трансформатора и испытание его в режимах холостого хода

ИЗУЧЕНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы: изучение устройства и принципа действия однофазного трансформатора и испытание его в режимах холостого хода, короткого замыкания и в рабочем режиме.

Оборудование: Однофазный трансформатор, РНШ, выпрямитель В–24, ваттметры, амперметры, вольтметры, милливольтметр, реостат.

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте. Трансформатор состоит из мегнитопровода и двух или более катушек, Одна катушка, к которой подводят напряжение, называется первичной, а все остальные, с которых снимают напряжения, называются вторичными.

Переменный ток, проходя по первичной обмотке трансформатора, возбуждает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который пересекает обмотки трансформатора и наводит в них ЭДС e. Для первичной обмотки это ЭДС самоиндукции :

,

для вторичной обмотки ЭДС взаимоиндукции :

,

где: W ₁, W ₂ – число витков в первичной и вторичной обмотке, соответственно, f – частота переменного тока.

Отношение к называется коэффициентом трансформации k:

.

Экспериментальное изучение работы трансформатора показывает, что при номинальной нагрузке величина рабочего потока Ф _m отличается от потока холостого хода лишь на несколько процентов. Это возможно только в том случае, если одновременно с появлением во вторичной цепи тока I ₂ ток в первичной цепи увеличится до значения I ₁, при котором сумма магнитных потоков первичной Ф ₁ и вторичной Ф ₂ обмоток остаётся той же, что и магнитный поток Ф ₀ при холостом ходе.

.

Это свойство трансформаторов называется саморегулированием. Оно указывает на очень важную особенность работы трансформатора: при изменении тока нагрузки I ₂ от нуля до номинального значения происходит автоматическое изменение тока I ₁ в первичной обмотке, при котором магнитный поток Ф в сердечнике остается практически неизменным.

Трансформатор может работать в режимах холостого хода и под нагрузкой.

Холостым ходом трансформатора называется такой режим работы, когда его первичная обмотка включена в сеть переменного тока на номинальное напряжение, а вторичная обмотка является разомкнутой и ток в этой обмотке равен нулю (). Опыт холостого хода входит в обязательный объем контрольных испытаний каждого выпускаемого с завода трансформатора. Схема опыта холостого хода показана на рис. 8.1. Опыт холостого хода позволяет определить коэффициент трансформации, ток холостого хода и потери в стали трансформатора.

Рис. 8.1. Схема для проведения опыта холостого хода

При опыте холостого хода ЭДС индуцируемая в обмотках трансформатора практически равна напряжению на выводах обмоток. Тогда отношение показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток будет равно коэффициенту трансформации k.

Ток текущий по первичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода представляет собой ток холостого хода трансформатора I ₁₀. Обычно I ₁₀ составляет величину порядка от номинального тока трансформатора I_н.

Потери мощности в режиме холостого хода определяются главным образом потерями в стали трансформатора (от гистерезиса и вихревых токов). Поскольку в опыте холостого хода потерь во вторичной обмотке нет, а потерями в меди первичной обмотке можно пренебречь, так как ток холостого хода I ₁₀ незначителен. В этом случае активная мощность, потребляемая трансформатором Р ₀ представляет собой мощность потерь в стали трансформатора (магнитные потери):

.

Магнитные потери не зависят от нагрузки трансформатора.

Опасным для трансформатора является короткое замыкание вторичной обмотки, так как при этом по его обмоткам протекают очень большие токи короткого замыкания I_кз, в десятки, сотни раз превышающие номинальный ток I_н. Короткое замыкание это аварийный режим работы трансформатора.

При коротком замыкании потери в проводах определяются . Если ток в 20 раз больше номинального, то потери в обмотках увеличиваются в 400 раз. Выделение большой мощности в проводах вызывает повышение температуры и в конечном итоге выходу трансформатора из строя.

Опыт короткого замыкания, в отличие от аварийного режима короткого замыкания, является испытательным режимом работы трансформатора. Из опыта короткого замыкания определяют потери в меди трансформатора (электрические потери) и напряжение короткого замыкания.

Рисунок 8.2. Схема для проведения опыта короткого замыкания

Схема опыта короткого замыкания показана на рис. 8.2. При опыте короткого замыкания вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение , при котором в первичной обмотке трансформатора протекает номинальный ток I_н. Для однофазного трансформатора:

.

Напряжение U_кз называют напряжением короткого замыкания. Обычно (U _{1 н} – номинальное напряжение первичной обмотки). Поскольку то индукция в стали ничтожно мала, и потерями в стали при коротком замыкании можно пренебречь. Тогда мощность, потребляемая трансформатором при коротком замыкании, представляет собой мощность потерь в меди Р_эл (электрические потери). Электрические потери зависят от нагрузки трансформатора и определяются:

,

где – коэффициент нагрузки.

В рабочем режиме или режиме работы под нагрузкой (рис. 8.3) к вторичной обмотке трансформатора подключена нагрузка сопротивлением Z _Н, при этом по нагрузке, а, следовательно, и по вторичной обмотке трансформатора, протечет ток I ₂. В режиме работы под нагрузкой напряжение на вторичной обмотке U ₂ зависит от силы тока I ₂ и характера нагрузки. Зависимость называется внешней характеристикой трансформатора.

Рис. 8.3. Схема для исследования работы нагруженного трансформатора

Изменение вторичного напряжения трансформатора при увеличении нагрузки от холостого хода до номинальной является важнейшей характеристикой трансформатора. Изменение вторичного напряжения трансформатора при любой нагрузке можно рассчитать по выражению:

.

При активной нагрузке .

Мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора не вся преобразуется в полезную мощность, отдаваемую нагрузке. Часть мощности теряется в стали и меди трансформатора. Мощность потерь составляет:

КПД трансформатора при любой нагрузке определяется:

Максимальное значение КПД соответствует нагрузке, при которой магнитные потери равны электрическим . Отсюда значение коэффициента нагрузки, соответствующее максимальному КПД:

.

Обычно КПД трансформатора имеет максимальное значение при .

Измерение сопротивления обмоток трансформатора постоянному току, наряду с опытами холостого хода и короткого замыкания, входит в обязательный объем контрольных испытаний каждого выпускаемого с завода трансформатора. При испытаниях сопротивление обмоток определяют либо по падению напряжения, либо по мостовой схеме. Метод по падению напряжения проще и дает более быстрые, но менее точные результаты.

При измерении сопротивления обмоток по падению напряжения обмотку трансформатора включают в цепь постоянного тока. Во избежании нагрева обмоток, вносящего ошибки в результаты измерений, ток при измерении сопротивления не должен превышать 20% номинального тока в обмотке. В зависимости от величины измеряемого сопротивления схема включения измерительных приборов будет различной.

а) б)

Рис. 8.4. Включение измерительных приборов при измерении сопротивления обмоток трансформатора по падению напряжения.

а) при малом сопротивлении обмотки, б) при большом сопритивлении обмотки

При малом сопротивлении обмотки трансформатора милливольтметр включают непосредственно на зажимы обмотки (рис. 8.4 а). В этом случае, поскольку сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления обмотки трансформатора, током через вольтметр можно пренебречь.

При большом сопротивлении обмотки трансформатора амперметр должен быть включен последовательно с этой обмоткой (рис. 8.4 б). В этом случае через амперметр будет протекать ток равный току в обмотке. Поскольку сопротивление амперметра мало, по сравнению с сопротивлением обмотки, то ошибка измерения будет наименьшей.

Домашнее задание

Изучите устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Выясните какая разница между омическим и активным сопротивлением обмоток, почему активное сопротивление зависит от частоты переменного тока. Выясните, для чего испытывают трансформаторы в режиме холостого хода и короткого замыкания. Почему пренебрегают электрическими потерями в обмотке трансформатора при холостом ходе, а также почему при опыте короткого замыкания можно пренебречь магнитными потерями в стали. Отвечая на последний вопрос, обратите внимание на то обстоятельство, что магнитный поток в трансформаторе пропорционален не току в обмотке, а напряжению на зажимах первичной обмотки.

Дата добавления: 2015-05-06