Ход работы. Для повышающих трансформаторов: w1 <w2 (kтр < 1), а для понижающих трансформаторов: w1 > w2(kтр > 1)

.

Для повышающих трансформаторов: w₁ < w₂ (k_тр < 1), а для понижающих трансформаторов: w ₁ > w ₂(k_тр > 1).

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается малыми потерями энергии: величина КПД (η) силовых трансформаторов при номинальной нагрузке составляет η = 0,96 – 0,995 в зависимости от мощности трансформатора.

Трансформатор может находиться в нескольких режимах работы: холостого хода, нагрузочном (или рабочем) и короткого замыкания. Режим короткого замыкания, при котором его вторичная обмотка подключена к приемнику с очень маленьким или равным нулю сопротивлением, является аварийным режимом работы и его допускать ни в коем случае нельзя, так как трансформатор выйдет из строя.

Режим холостого хода (или режим ненагруженного трансформатора) возникает при разомкнутой или подключенной к приемнику с очень большим сопротивлением вторичной обмоткой.

Нагрузочный режим работы трансформатора – режим с подключенной к трансформатору нагрузкой.

Режимы холостого хода и короткого замыкания специально создаются при испытании трансформатора.

В режиме холостого хода трансформатор превращается в катушку с ферромагнитным (стальным) сердечником, к обмотке которой с числом витков w ₁ подключен источник синусоидального напряжения. Опыт холостого хода проводится для определения коэффициента трансформации и мощности потерь в магнитопроводе трансформатора (потери в стали).

При номинальном первичном напряжении ток холостого хода I ₁₀ первичной обмотки составляет 3–10% номинального первичного тока I _1н. При этом можно считать, что U ₁ ≈ E ₁₀ и U ₂₀ ≈ E ₂. Поэтому, измерив вольтметром первичное и вторичное напряжения в режиме холостого хода, определяют коэффициент трансформации k_тр.

Важно отметить, что при режиме холостого хода значительно снижается сos φ электрических цепей, и, следовательно, этот режим является нежелательным при эксплуатации трансформаторов.

Мощность потерь трансформатора при холостом ходе складывается из потерь в стали Р_ст и мощности потерь в проводах (потери в меди Р_м) первичной обмотки.

При холостом ходе ток I ₁₀ много меньше номинального первичного тока I _{1 н} и мощность потерь в меди ничтожна по сравнению с мощностью потерь в стали. Поэтому опыт холостого хода служит и для определения потерь в магнитопроводе трансформатора. Мощность магнитных потерь пропорциональна .

Опыт короткого замыкания нельзя путать с режимом короткого замыкания, который возникает при номинальном напряжении первичной обмотки. Как уже отмечалось, режим короткого замыкания – аварийный режим работы трансформатора. Опыт же короткого замыкания проводится при очень небольшом напряжении U _{1 к.з.} (в диапазоне 3 – 10 % от U _{1 н.} ), которое подбирается таким образом, чтобы токи первичной и вторичной обмоток соответствовали номинальным токам обмоток.

Опыт проводится при коротком замыкании вторичной обмотки, которая замыкается на амперметр, имеющий очень низкое сопротивление. Вся мощность, потребляемая трансформатором в этом случае, практичес­ки идет на компенсацию электрических потерь при нагревании обмоток:

,

где: r ₁ и r ₂ – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора, соответственно.

На основании опытов холостого хода и короткого замыкания определяется КПД трансформатора η:

.

С ростом тока I ₂ при U ₁ = const напряжение U ₂ на зажимах вторичной обмотки трансформатора изменяется. Зависимость вторичного напряжения U ₂ от тока нагрузки при U ₁ = const и сos φ ₂ = const называется внешней характеристикой. На рис. 7.2 приведены внешние характеристики трансформатора, работающего на разные по характеру нагрузки.

Кривая 1 соответствует ак­тивному сопро­тивлению нагрузки (φ₂ = 0), кривая 2 – активно-индуктивному (φ₂ > 0), кривая 3 – активно-емкост­ному (φ₂ < 0). Изменение вторичного напряжения U ₂ обозначают Δ U и находят как арифметическую разность напряжений на вторичной обмотке при холостом ходе трансформатора U ₂₀ и при номинальной нагрузке U _{2 н} (токе нагрузки I_{2 н}): Δ U = U ₂₀ – U _{2 н}. Обычно Δ U выражают в % от U ₂₀:

У мощных силовых трансформаторов, работающих на нагрузку индуктивного характера, Δ U составляет (5 – 8)%, т.е. внешняя характерис­тика трансформатора довольно «жесткая».

Упражнение 1. Определение коэффициента трансформации трансформатора и потерь в стали.

· Соберите схему для исследования трансформатора в соответствии с рис. 7.3.

· Запишите основные параметры исследуемого трансформатора.

· Установите ручку регулятора ЛАТРа в крайнее положение против часовой стрелки.

· Оставьте свободными зажимы для подключения нагрузки.

· Подключите установку к сети напряжением 220 В и проведите опыт холостого хода.

· Установите на первичной обмотке трансформатора с помощью ЛАТРа последовательно напряжения U ₁₀: 50, 100, 150, 200 и 220 В.

· Занесите в следующую таблицу показания всех приборов.

U 10, В	I 10, А	P 10, Вт	U 20, В	kтр	Рст, Вт

· Определите значения коэффициента трансформации и потерь в стали. Полученные результаты также занесите в таблицу.

· Постройте зависимость U ₂₀ = f (I ₁₀).

· Убедитесь в том, что потери в стали Р_ст пропорциональны .

Упражнение 2. Определение потерь в меди и коэффициента полезного действия трансформатора.

· Проведите опыт короткого замыкания при пониженном напряжении на первичной обмотке.

· Установите ручку регулятора ЛАТРа в крайнее положение против часовой стрелки.

· Замкните накоротко зажимы для подключения нагрузки. Ключ переведите в положение «Вкл».

· Вычислите ток короткого замыкания трансформатора, равный номинальному значению тока вторичной обмотки трансформатора, по значениям мощности трансформатора Р и номинальному напряжению вторичной обмотки U _{2 н}.

· Подключите установку к сети напряжением 220 В.

· Плавно повышайте напряжение на выходе ЛАТРа до тех пор, пока амперметр, включенный во вторичную цепь трансформатора, не покажет ток короткого замыкания трансформатора.

· Показания всех приборов, а также значение потерь в стали (из Упражнения 1) при U ₁ = 220 В, занесите в следующую таблицу.

U 1 к.з ., В	I 1 к.з., А	P 1 к.з., Вт	I 2 к.з., А	Рм, Вт	Рст, Вт	η, %

· Вычислите коэффициент полезного действия трансформатора η. Результат вычислений занесите в таблицу.

Упражнение 3. Исследование работы трансформатора под нагрузкой.

· Подключите к трансформатору активную нагрузку R, в качестве которой используйте реостат, и замкните ключ Кл.

· Введите полное сопротивление реостата.

· Подключите установку к сети напряжением 220 В.

· Увеличивайте нагрузку во вторичной цепи трансформатора, изменяя сопротивление реостата. Напряжение на первичной обмотке трансформатора должно быть номинальным.

· Измерьте напряжение U ₂ и мощность Р ₁ при 10 – 12 значениях тока нагрузки. Наибольший ток нагрузки определяется по паспортным данным трансформатора.

· Вычислите сos φ и η по формулам: сos φ = Р ₁/ I₁U ₁ и η = Р ₂/ Р ₁.

· Результаты измерений и вычислений внесите в следующую таблицу.

№ изм.	U 1, В	U 2, В	I 1, А	I 2, А	Р 1, Вт	Р 2, Вт	сos φ	η, %

· Повторите предыдущие задания данного упражнения с емкостной нагрузкой. Увеличение нагрузки осуществляется последовательным увеличением емкости.

· Повторите измерения при индуктивной нагрузке. Увеличение нагрузки осуществляется последовательным уменьшением индуктивности катушки.

· Постройте внешние характеристики трансформатора для разных нагрузок в одних осях координат.

· Вычислите Δ U при номинальных токах для различных нагрузок.

· Сделайте выводы по итогам проведенных опытов.

Контрольные вопросы

1. Как устроен и работает однофазный трансформатор?

2. Как используется трансформатор при передаче электрической энергии на большое расстояние?

3. Для какой цели в трансформаторах применяется магнитопровод? Из какого материала он изготовлен?

4. Как скажется на работе трансформатора понижение (повышение) питающего напряжения?

5. Почему в опыте холостого хода мощность потерь практически сводится к мощности, идущей на потери в стали?

6. Почему потери в стали трансформатора остаются практически постоянными при изменении нагрузки?

7. Как определить номинальные токи обмоток однофазного трансфор­матора, если известны его номинальные мощность и напряжения обмоток?

8. При каком условии коэффициент полезного действия трансформатора достигает своего максимума?

9. Какие потери мощности возникают в трансформаторе во время работы? От чего они зависят?

10. Как будут изменяться по величине потери в трансформаторе при из­менении частоты и напряжения в питающей сети?

11. Чем объясняется различие во внешних характеристиках трансформатора при активной, емкостной и индуктивной нагрузках?

12. Для чего применяются измерительные трансформаторы напряжения и тока? Каковы особенности их работы?

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Приборы и принадлежности.

3. Схемы проведенных опытов.

4. Результаты измерений и необходимых расчетов.

5. Краткие ответы на контрольные вопросы.

6. Краткие выводы.

Дата добавления: 2015-05-06