Основные теоретические положения. Исследование однофазного трансформатора

Исследование однофазного трансформатора

Требуемое оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-ЭТ1.

Приборы:

1. Генератор звуковых частот ЗГ1 -1 шт.

2. Комбинированный измеритель мощности и фазы ИМФ1 -1 шт.

3. Стенд с объектами исследования С3-ЭМ01 -1 шт.

Цель работы:

1. Изучить устройство, принцип работы трансформатора.

2. Определить коэффициент трансформации и напряжение короткого замыкания трансформатора.

3. Построить внешние характеристики трансформатора при различных нагрузках (активной, активно-индуктивной, емкостной).

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством магнитного потока электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

Электромагнитная схема трансформатора (а) и условные графические обозначения трансформатора (б, в) изображены на рис.1. На замкнутом магнитопроводе, набранном из листов электротехнической стали, расположены две обмотки. Первичная обмотка с числом витков W ₁подключается к источнику электрической энергии с напряжением U ₁. Вторичная обмотка с числом витков W ₂ подключается к нагрузке.

Под действием подведенного переменного напряжения U ₁ в первичной обмотке возникает ток i ₁ и появляется изменяющийся магнитный поток Ф. Этот поток индуцирует ЭДС e ₁ и e ₂ в обмотках трансформатора:

e ₁ = - W ₁ ; e ₂ = - W ₂ .

ЭДС e ₁ уравновешивает основную часть напряжения источника U ₁, ЭДС e ₂ создает напряжение U ₂ на выходных зажимах трансформатора.

При замыкании вторичной цепи ток вторичной обмотки i ₂создает собственный магнитный поток. Намагничивающие силы токов первичной и вторичной обмоток определяют результирующий рабочий магнитный поток, сцепленный с витками первичной и вторичной обмоток.

Небольшая часть магнитного потока сцеплена только с витками первичной обмотки. Эту часть потока называют потоком рассеяния первичной обмотки и обозначают Ф_{s 1}. Аналогично образуется магнитный поток рассеяния вторичной обмотки Ф_{s 2}.

к приемнику

а б

в

Рис.1

Рис.2

Магнитные потоки рассеяния наводят в соответствующих обмотках переменные ЭДС е_{s 1} и е_{s 2}. ЭДС рассеяния можно заменить падением напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния:

.

При изучении эксплуатационных свойств трансформатора следует учитывать активные сопротивления обмоток трансформатора R ₁ и R ₂. Тогда уравнения электрического состояния обмоток трансформатора примут вид

- ЭДС, возбуждаемые рабочим потоком Ф;

- напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Так как величина мала, составляет не более единиц процентов от , то

U ₁ » Е ₁ = wW ₁ Ф = 4,44 f W ₁ Ф_m, (1)

где f – частота напряжения сети;

Ф_m - амплитудное значение магнитного потока в трансформаторе.

Из выражения (1) видим, что при постоянной величине U ₁ магнитный поток Ф почти не изменяется, а значит незначительно меняется суммарная магнитодвижущая сила первичной и вторичной обмоток:

W ₁ + W ₂ = W ₁ ,

или, обозначив , получим уравнение токов трансформатора:

= + ,

где - ток первичной обмотки в режиме холостого хода.

Для построения схемы замещения реальный трансформатор заменяют приведенным. У приведенного трансформатора число витков первичной обмотки равно числу витков вторичной: W ₁ = W ₂ ¢. При замене реального трансформатора приведенным параметры первичной обмотки остаются неизменными, а параметры вторичной - приводятся к первичной. Параметры вторичной цепи приведенного трансформатора обозначаются так же, как и у реального, лишь снабжаются штрихом. Итак, уравнения приведенного трансформатора примут вид

= + .

Данным уравнениям соответствует Т-образная схема замещения трансформатора (рис.2). так как I _{1 x} составляет единицы процентов от I _{1 ном} , то Т-образную схему можно заменить на Г-образную (рис.3) или упрощенную (рис.4), где

R_к = R ₁ + R ₂ ¢; X_к = X_{s 1} + X¢_{s 2}; R_x = R ₀ + R ₁; X_x = X ₀ + X_{s 1}.

Рис.3 Рис.4

Параметры схем замещения определяются по данным опыта холостого хода (U _{1 н} , I _{1 x} , P_x) и опыта короткого замыкания (U_к, I _{1 н} , P_к):

Z_x = ; R_x = ; Z_к = ; R_к = ;

X_x = ; X_к = .

Для определения параметров Т-образной схемы замещения упрощенно принимают: R ₁ » R¢ ₂ = ; X_{s 1} = X¢_{s 2} = .

Коэффициентом трансформации называется соотношение ЭДС e ₁ и e ₂

= К.

Для трансформатора, работающего в режиме холостого хода, с достаточной для практики точностью можно считать, что

К» . (2)

Процентное изменение вторичного напряжения DU₂ % при переменной нагрузке определяется так: DU ₂ % = , (3)

где U _{2 x} и U ₂ - соответственно вторичные напряжения при холостом ходе и заданной нагрузке.

У трансформаторов средней и большой мощности U _{2 x} и U ₂ мало отличаются друг от друга, использование формулы (3) приводит к значительным погрешностям, поэтому процентное изменение вторичного напряжения рассчитывается по формуле

DU ₂ % = b (U_каcos j ₂ + U_кр sin j ₂), (4)

где b = - коэффициент нагрузки; I ₂и I _{2 ном} - соответственно фактический и номинальный ток во вторичной обмотке;

U_ка и U_кр - соответственно активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания.

U_к % = ,

где U_к - напряжение в опыте короткого замыкания при номинальном токе в первичной обмотке.

U_ка = U_к % cos j_к = U_к % ; U_кр = .

Характеристики трансформаторов изображены на рис.5 и 6.

Рис.5 Рис.6

Внешние характеристики (рис.5) можно объяснить с применением формулы (4).

Увеличение напряжения при емкостной нагрузке кроме формулы (4) можно объяснить с помощью упрощенной схемы замещения трансформатора (рис.7). В последовательном контуре при увеличении емкости напряжение на конденсаторе изменяется по кривой (рис.8).

Рис.7 Рис.8

Напряжение на конденсаторе равно напряжению U ₂ ¢. Из рис.8 видно, что с увеличением емкости, а значит, с увеличением тока I ₂ = U ₂ / X_c = U ₂ wC напряжение на зажимах трансформатора увеличивается.

Коэффициент мощности cos j ₁ трансформатора определяют по формуле

cos j ₁ = .

Коэффициент полезного действия трансформатора может быть определен экспериментальным путем:

h = , где P ₂ = U ₂ I ₂ cos j ₂.

Прямой метод определения КПД допустим для трансформаторов малой мощности. КПД трансформаторов средней и большой мощности определяют косвенным путем, используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания по формуле

h = , (5)

где b = ; S_ном - номинальная мощность трансформатора; cos j ₂ - коэффициент мощности приемников;

P_x и P_к - активные мощности соответственно при опыте холостого хода и короткого замыкания.

Экспериментальное исследование однофазного трансформатора выполняется на установке (рис.9), где со стороны первичной обмотки АX трансформатора ТР предусмотрено измерение прибором ИМФ1 подводимого напряжения U ₁, тока I ₁ и активной мощности P ₁. Со стороны вторичной обмотки ах соответствующими приборами измеряют вторичное напряжение U ₂ и ток нагрузки I ₂, создаваемый при активной нагрузке – резисторами R ₁, R ₂, R ₃; при активно-индуктивной – дросселями с параметрами R_к, L; при емкостной нагрузке – конденсаторами С ₁, С ₂, С ₃. Для проведения опыта короткого замыкания предусмотрены клеммы К ₁, К ₂.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с приборами, аппаратами и оборудованием экспериментальной установки и записать их технические характеристики.

2. Исследовать трансформатор в режиме холостого хода и нагруженном режиме. Для этого необходимо отключить от вторичной обмотки трансформатора нагрузку.

После проверки правильности подготовки к проведению опыта установить номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора и записать показания всех приборов в табл. 1 для режима холостого хода.

Нагрузить трансформатор, путем подключения нагрузки, указанной в табл. 1. Для каждой нагрузки выполнить измерения показания приборов занести в табл. 1.

Рис.9

Таблица 1

№ опыта

Измерено

Вычислено

Вид нагрузки

Элементы нагрузки (стенд СЗ-ЭМ01)

U 1, B

I 1, A

P 1, Вт

U 2, B

I 2, A

cosj 1

cosj 2

P 2, Вт

b

h,%

DU,%

Холостой ход

-

Активная нагрузка

R3

R5

R2

Активно-ин- дуктивная нагрузка

L + R1

L + R2

L + R5

Емкостная нагрузка

C1

C2

C3

3. Опыт короткого замыкания.

Перед опытом необходимо установить 0В на выходе генератора ЗГ1.

Замкнуть накоротко вторичную обмотку трансформатора (клеммы К ₁ и К ₂ замкнуть проводником).

Плавно увеличивая напряжение первичной обмотки трансформатора (на выходе генератора ЗГ1), установить номинальный ток первичной обмотки, показания приборов занести в табл. 2. Установить 0В на выходе генератора ЗГ1. Убрать закоротку между клеммами К ₁ и К ₂.

4. Определить коэффициент трансформации К.

5. По данным таблицы рассчитать cos j ₁, cos j ₂, P ₂, h, DU, b.

6. Построить в общей системе координат характеристики трансформатора при активной нагрузке в функции вторичного тока:

I ₁ = f (I ₂), cos j ₁ = f (I ₂), h (I ₂) при U ₁ = U _{1 н}= const.

Характерный вид зависимостей приведен на рис.6.

7. В одной системе координат построить внешние характеристики трансформатора U ₂ = f (I ₂) или U ₂ = f (b) при различных нагрузках (рис.5).

Таблица 2

Напряжение Uк, В	Ток I, А	Активная мощность P, Вт

8. Сделать выводы по результатам выполненной работы.

Вопросы для самоконтроля

1. Как устроен трансформатор?

2. От чего зависят ЭДС обмоток трансформатора и каково их назначение?

3. В каких случаях трансформатор называют повышающим и в каком - понижающим?

4. Что называют коэффициентом трансформации?

5. Какие вы знаете номинальные параметры трансформатора и что они определяют?

6. Как определить номинальные токи обмоток трансформатора, если известна номинальная мощность трансформатора?

7. Что называют внешней характеристикой трансформатора и как ее получить?

8. Как найти процентное изменение вторичного напряжения трансформатора для заданной нагрузки?

9. Какие потери энергии имеются в трансформаторе, от чего они зависят и как определяются?

10. Для чего магнитопровод трансформатора набирают из листов электротехнической стали, какова толщина этих листов?

11. Как проводится опыт холостого хода? Какие параметры этого опыта указываются в паспорте трансформатора?

12. Как проводится опыт короткого замыкания трансформатора? Какие параметры этого опыта указываются в паспорте трансформатора?

13. Где на практике учитывается величина напряжения короткого замыкания?

14. Чем конструктивно отличаются автотрансформаторы от трансформаторов обычной конструкции?

Дата добавления: 2015-05-06