3.3.2 Работа нагруженного трансформатора

Присоединим ко вторичной обмотке трансформатора приемник энергии. В цепи вторичной обмотки возникнет ток I₂. Величина этого тока зависит от E₂ и полного сопротивления вторичной цепи. При смешанной индуктивной нагрузке ток I₂ отстает по фазе от E₂ на угол ψ₂.

Токи I₁ и I₂ сдвинуты по фазе на угол, близкий к 180°.

При неизменном значении первичного напряжения и изменении нагрузки трансформатора Р₂ от нуля до номинальной будет увеличиваться как вторичный, так и первичный токи трансформатора, будут увеличиваться и падения напряжения в его обмотках (I₁z₁ и I₂z₂), а напряжение на зажимах вторичной обмотки будет уменьшаться.

Если обозначить U₂ напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора при нагрузке, а U_2X - при холостом ходе, то величина

, (3.6)

называется процентным изменением напряжения трансформатора.

Величина ΔU% зависит не только от величины тока нагрузки, но и от характера нагрузки, т.е. от cos φ₂.

Процентное изменение напряжения в современных трансформаторах незначительно, порядка 2¸3%.

3.3.3 Мощность трансформатора и к.П.Д.

Первичная мощность трансформатора

Ρ₁ = U₁ I₁ cos φ_1. (3.7)

Вторичная мощность трансформатора

Ρ₂ = U₂ I₂ cos φ_2. (3.8)

Разность между первичной и вторичной мощностями (P₁—P₂) представляет собой мощность потерь. Потери в трансформаторе состоят из двух частей: 1) потери в меди обмоток Р_M и 2) потери в стали трансформатора от гистерезиса и вихревых токов Р_ст = Р_г + Р_с.

Потери в стали могут быть определены из опыта холостого хода, т.е., когда рубильник р₂ разомкнут, а рубильник p₁ замкнут и к трансформатору подведено U₁ = U_1H. В этом случае ваттметр покажет

Р_X = P_ст + Р_MX.

Так как потери в меди при холостом ходе Р_MX ничтожно малы, то

Р_X = Р_M. (3.9)

Потери в меди определяются опытом короткого замыкания, когда зажимы вторичной обмотки ах замкнуты накоротко, а к первичной обмотке подведено такое пониженное напряжение U_K, при котором токи в обмотках будут номинальными. Это напряжение называется напряжением короткого замыкания и составляет 5 ÷ 12% U_H..

Ваттметр измерит мощность Р_K = Р_M+Р_ст.K. Однако, так как U_K ≈ 0,05U_H,, то индукция в стали ничтожно мала и потерями в стали при коротком замыкании Р_ст.K можно пренебречь. Тогда

Р_K = P_M . (3.10)

Коэффициент полезного действия трансформатора представляет собой отношение вторичной мощности Р₂ к первичной мощности P₁, т.е.

(3.11)

3.4 Содержание лабораторной работы

3.4.1 Схема эксперимента предоставлена на рисунке 3.2 в среде Electronics Workbench.

Режим нагрузки выбирается по варианту, выданному преподавателем, в соответствии с таблицей 3.1.

3.4.2 Включить трансформатор вхолостую и измерить первичное и вторичное напряжения U₁, и U₂. Измерить мощность холостого хода Ρ_X и ток холостого хода I_X . Подсчитать коэффициент трансформации, потери в стали и отношение (I_X/I_H)100%.

3.4.3 Произвести опыт короткого замыкания и измерить: напряжение при коротком замыкании U_K, мощность короткого замыкания Р_K, и ток в первичной обмотке I₁= I_H..

3.4.4 Рассчитать u_K = (U_K/U_H)100%, к.п.д. трансформатора при номинальном токе I₁ = I_H и a) cos φ₂ = 1 и б) cos φ₂ = 0,8.

3.4.5 Подключить нагрузку и измерить ток в первичной и вторичной обмотке, напряжение во вторичной обмотке. Как изменились их значения? Зарисовать осциллограмму тока и напряжения во вторичной обмотке.

3.5 Описание работы

Включение трансформатора производится по схеме и ее аналогу на рисунке 3.2. Для опыта холостого хода трансформатора при выключенном рубильнике p₂ замыкают рубильник p₁ и измеряют I_X, P_X и U₂. Перед включением рубильника токовую цепь амперметра и ваттметра шунтируют проводом малого сопротивления, как показано пунктиром на рисунке 3.1. После включения размыкают рубильник р₃ и производят измерения. При опыте необходимо, чтобы подведенное напряжение U_Х было равно указанному на щитке трансформатора, т.е. U_Н. Когда измеряют мощность P_X, вольтметр во вторичной цепи должен быть отключен. По полученным данным определяют:

1) коэффициент трансформации k = U₁/U₂;

2) потери в стали Р_ст = Р_X;

3) (I_X/I_1H)100%; обычно равное (10÷2,5)%I_K.

Для опыта короткого замыкания зажимы вторичной обмотки ax должны быть замкнуты накоротко проводом малого сопротивления, а к первичной подводится пониженное напряжение с таким расчетом, чтобы ток в первичной обмотке был равен номинальному (I₁ =I_1H). После этого измеряют U_K, I_1H и P_K. Тогда подсчитывают:

1) напряжение короткого замыкания u_K = (U_K/U_H)100%, равное обычно (3¸12%)U_H

2) потери в меди при номинальном токе Ρ_М = Р_K;

3) К.П.Д.

для cos φ₂ = 1 и cos φ₂ = 0,8.

Здесь

S_H = U_2HI_2H.

Технические данные указаны на щитке трансформатора.

В таблице 3.1 параметры трансформатора и нагрузки обозначены следующим образом:

K – коэффициент трансформации;

L_P – индуктивность рассеивания (Гн);

L₁ – индуктивность первичной обмотки (Гн);

R₁ – сопротивление первичной обмотки (Ом);

R₂ – сопротивление вторичной обмотки (Ом);

R_H, L_H, C_H – характер и значения нагрузочного сопротивления z_H трансформатора.

Для испытаний принимаем трансформатор на Р= 200Вт с номинальными параметрами : U_H = 220В; U_X = 12В (для варианта №1).

Схема имитационных исследований трансформатора

в среде Electronics Workbench

б)

а)

Рисунок 3.2

3.5 Контрольные вопросы

3.5.1 Объясните принцип действия трансформаторов.

3.5.2 Изобразите векторную диаграмму трансформатора при холостом ходе.

3.5.3 Изобразить векторную диаграмму намагничивающих сил.

3.5.4 От чего зависит КПД трансформатора.

3.6 Контрольный пример

Контрольный пример по лабораторной работе № 3 приводится в файле LAB17_1K.ewb.

3.7 Список файлов к лабораторной работе № 3

LAB – База данных лабораторного комплекса

LAB17_1.ewb – Файл – схема

LAB17_1K.ewb – Контрольный пример по лабораторной работе № 3^*.

Таблица 3.1 - Параметры вариантов имитационных исследований

№ пп		K			LP, Гн				L1, Гн				R1, Ом			R2, Ом				zH
																				RH, Ом				LH, Гн				CH, мкФ
	1		2				3				4			5				6				7				8				9
1		18.5			0.023				38.5				1.2			0.001				0.72				-				-
2		17.5			0.027				39.5				1.4			0.0012				-								-
3		17			0.024				40.0				1.2			0.0013				-				-
4		18.3			0.030				38.8				1.3			0.0015				0.3								-
5		18.4			0.029				40.5				1.2			0.001				0.3				-
6		17.7			0.025				38.6				1.2			0.0014				0.2								-
7		17.9			0.023				38.9				1.5			0.0011				-
8		17.4			0.029				39.3				1.2			0.001				0.4
9		17.2			0.030				39.9				1.5			0.0012				0.55								-
10		17.3			0.028				38.5				1.5			0.0015				0.32				-
11		18.4			0.024				39.6				1.4			0.0014				0.23
12		18.5			0.026				39.7				1.3			0.0013				-
13		17.7			0.025				38.7				1.4			0.0015				0.67				-				-
14		18			0.027				38.5				1.3			0.0011				0.21								-
15		18.1			0.024				40				1.3			0.0012				-								-
16		18.3			0.023				40.4				1.2			0.001				-				-
17		17.4			0.028				40.2				1.5			0.001				0.41								-
18		17.9			0.029				38.6				1.4			0.0014				0.25				-
19		18.5			0.024				40.1				1.4			0.0012				0.48								-
20		18			0.025				39.1				1.2			0.0011				0.7								-
21		17			0.027				39.8				1.5			0.0013				0.62
22		17.3			0.026				40.3				1.2			0.0015				0.59								-
23		17.7			0.029				38.5				1.2			0.0015				-				-
24		18.3			0.030				40.1				1.4			0.0012				-								-
25		17			0.030				40.5				1.5			0.0015				0.33

Примечание: при использовании осциллографа следует учитывать, что при снятии значения тока по каналу «А», реальный ток в цепи в 1000 раз больше.

Лабораторная работа № 4

Исследование электромагнитных процессов в асинхронных двигателях

4.1 Цель работы

4.1.1 Изучить принцип действия асинхронного двигателя с помощью математической модели.

4.1.2 Изучить закономерности, описывающие электромагнитные и электромеханические процессы в асинхронных двигателях.

4.1.3 Исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в цепях асинхронных двигателей (АД) в пусковых режимах.

4.2 Средства и системы исследования асинхронных двигателей

Процессы, происходящие в асинхронных двигателях описываются громоздкими математическими зависимостями, которые с достаточной степенью точности сложно реализовать в среде Electronics Workbench, поэтому в качестве средств для исследования АД в настоящей работе предлагается использовать систему структурно-функционального имитационного моделирования MVTU /4/.

4.3 Краткие теоретические сведения

Принцип устройства электродвигателей трехфазного тока основан на явлении вращающегося магнитного потока.

В двигателях трехфазного тока обмотка образована тремя катушками, расположенными на неподвижной станине - статоре; внутри статора помещен стальной барабан - ротор, вдоль образующих которого в пазах уложе­ны провода, соединенные между собой на обоих торцах кольцами.

Вращающийся магнитный поток статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них э.д.с., а так как проводники замкнуты, то в них возникает ток. Ток, взаимодействуя с вращающимся магнитным потоком, вызы­вает силу, увлекающую ротор вслед за вращающимся по­током. С ростом скорости вращения ротора уменьшается скорость, с которой проводники ротора пересекают маг­нитные линии; если бы ротор достиг той же скорости враще­ния, что и магнитный поток статора, то пересечения про­водников вообще не происходило бы, и ток в роторе стал бы равен нулю. Но при отсутствии тока в роторе вра­щающий момент также равен нулю: следовательно, при нали­чии тормозного момента магнитный поток и ротор не могут вращаться с той же скоростью, что и поток статора (син­хронно); скорость вращения ротора всегда несколько мень­ше. Поэтому двигатели такого типа называются асин­хронными (т.е. несинхронными).

Известны три основных закона, определяющие процессы, происходящие в асинхронных двигателях.