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).

Основные теоретические положения

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 W₁ подключается к источнику электрической энергии с напряжением U₁. Вторичная обмотка с числом витков W₂ подключается к нагрузке.

Под действием подведенного переменного напряжения U₁ в первичной обмотке возникает ток i₁ и появляется изменяющийся магнитный поток Ф. Этот поток индуцирует ЭДС e₁ и e₂ в обмотках трансформатора:

e₁ = - W₁ ; e₂= - W₂ .

ЭДС e₁ уравновешивает основную часть напряжения источника U₁ , ЭДС e₂ создает напряжение U₂ на выходных зажимах трансформатора.

При замыкании вторичной цепи ток вторичной обмотки i₂ создает 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_1. Аналогично образуется магнитный поток рассеяния вторичной обмотки Ф_2.

к приемнику

а б

в

Рис.1

Рис.2

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

.

При изучении эксплуатационных свойств трансформатора следует учитывать активные сопротивления обмоток трансформатора R₁ и R₂. 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

U₁ Е₁ = W₁Ф = 4,44 f W₁Ф_m , (1)

где f – частота напряжения сети;

Ф_m - амплитудное значение магнитного потока в трансформаторе.

Из выражения (1) видим, что при постоянной величине U₁ магнитный поток Ф почти не изменяется, а значит незначительно меняется суммарная магнитодвижущая сила первичной и вторичной обмоток:

W₁ + W₂ = W₁ ,

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: W₁ = W₂. 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_1x составляет единицы процентов от I_1ном , то Т-образную схему можно заменить на Г-образную (рис.3) или упрощенную (рис.4), где

R_к = R₁ + R₂ ; X_к = X_1 + X_2 ; R_x = R₀ + R₁ ; X_x = X₀ + X_1 .

Рис.3 Рис.4

Параметры схем замещения определяются по данным опыта холостого хода (U_1н , I_1x , P_x) и опыта короткого замыкания (U_к , I_1н , P_к):

Z_x = ; R_x = ; Z_к = ; R_к = ;

X_x = ; X_к = .

Для определения параметров Т-образной схемы замещения упрощенно принимают: R₁ R₂ = ; X_1 = X_2 = .

Коэффициентом трансформации называется соотношение ЭДС e₁ и e₂

= К .

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

К  . (2)

Процентное изменение вторичного напряжения U₂  при переменной нагрузке определяется так: U₂  = , (3)

где U_2x и U₂ - соответственно вторичные напряжения при холостом ходе и заданной нагрузке.

У трансформаторов средней и большой мощности U_2x и U₂ мало отличаются друг от друга, использование формулы (3) приводит к значительным погрешностям, поэтому процентное изменение вторичного напряжения рассчитывается по формуле

U₂  =  (U_каcos ₂ + U_кр sin ₂) , (4)

где  = - коэффициент нагрузки; I₂ и 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 _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 U₂. Из рис.8 видно, что с увеличением емкости, а значит, с увеличением тока I₂ = U₂ / X_c = U₂C напряжение на зажимах трансформатора увеличивается.

Коэффициент мощности cos ₁ трансформатора определяют по формуле

cos ₁ = .

Коэффициент полезного действия трансформатора может быть определен экспериментальным путем:

 = , где P₂ = U₂I₂ cos 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

 = , (5)

где  = ; S_ном - номинальная мощность трансформатора; cos 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 U₁, тока I₁ и активной мощности P₁. Со стороны вторичной обмотки ах соответствующими приборами измеряют вторичное напряжение U₂ и ток нагрузки I₂, создаваемый при активной нагрузке – резисторами R₁, R₂, R₃; при активно-индуктивной – дросселями с параметрами R_к , L; при емкостной нагрузке – конденсаторами С₁, С₂, С₃. Для проведения опыта короткого замыкания предусмотрены клеммы К₁, К₂.

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)

U1, B

I1, A

P1, Вт

U2, B

I2, A

cos1

cos2

P2, Вт





U,

1

Холостой ход

-

2

Активная нагрузка

R3

3

R5

4

R2

5

Активно-ин- дуктивная нагрузка

L + R1

6

L + R2

7

L + R5

8

Емкостная нагрузка

C1

9

C2

10

C3

3. Опыт короткого замыкания.

Перед опытом необходимо установить 0В на выходе генератора ЗГ1.

Замкнуть накоротко вторичную обмотку трансформатора (клеммы К₁ и К₂ 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 К₁ и К₂.

4. Определить коэффициент трансформации К.

5. По данным таблицы рассчитать cos ₁ , cos ₂ , P₂ ,  , U , .

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

I₁= f (I₂) , cos ₁= f (I₂) ,  (I₂) при U₁ = U_1н= const.

Характерный вид зависимостей приведен на рис.6.

7. В одной системе координат построить внешние характеристики трансформатора U₂= f (I₂) или U₂= f () 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?