Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

621.314 № 3358

И 889

ИССЛЕДОВАНИЕ

ТРАНСФОРМАТОРОВ

Сборник лабораторных работ

по курсу «Электрические машины»

для студентов 3–4 курсов ЭМФ, ФЭН, РЭФ

Новосибирск

2007

УДК 621.314.2.001.5 (076.5)

И 889

Составители: О.Н. Савилов, Э.Е. Савилова,

А.Ф. Шевченко

Под общей редакцией А.Ф. Шевченко

Рецензент Г.А. Шаншуров

Работа подготовлена на кафедре электромеханики

 Новосибирский государственный

технический университет, 2007

Предисловие

Настоящее методическое пособие предназначено для студентов электромеханического и электроэнергетического факультетов всех форм обучения.

При выполнении лабораторно-практической работы перед студентами ставятся следующие задачи.

1. Практическое знакомство с конструктивными элементами и конструкцией в целом преобразователей энергии различных типов.

2. Изучение и практическое использование методов испытаний электрических машин и трансформаторов.

3. Изучение и практическое применение способов обработки результатов экспериментов и оценки показателей и свойств преобразованной энергии.

4. Экспериментальное подтверждение теоретических положений электромагнитного и электромеханического преобразования энергии.

Для выполнения этих задач необходима эффективная работа в лабораториях, которая достигается предварительной самостоятельной подготовкой с затратой времени не менее одного часа на каждый час лабораторной работы.

Самостоятельная подготовка включает:

1) изучение лекционного материала, конспективное изложение которого в части основных процессов преобразования энергии приведено в настоящем методическом пособии в начале каждого цикла и перед каждой лабораторной работой (трансформаторы, асинхронные машины, синхронные машины, машины постоянного тока);

2) изучение особенностей исследуемых режимов, программы эксперимента, рабочих схем и порядка проведения эксперимента, ожидаемый вид кривых;

3) составление формуляра протокола по следующей форме: наименование лабораторной работы, номер группы и список членов бригады, наименование опыта, рабочая схема опыта, таблица опытных величин.

Результаты самостоятельной подготовки проверяются путем ответов на контрольные вопросы, приведенные в конце описаний лабораторных работ. Эти же вопросы используются и при защите отчета по лабораторной работе.

Неясные вопросы цикла могут быть решены при возвращении к теоретическим частям предыдущих циклов. Базой для освоения всех циклов являются электротехника, математика, физика, конструкционные и электротехнические материалы, теоретическая и прикладная механика.

Выполнение работы в лаборатории. Изучение сложных процессов преобразования энергии при взаимной связи электрических, магнитных, механических и других процессов требует вполне определенной последовательности. Поэтому выполнение очередной лабораторной работы имеет смысл только после освоения и защиты предыдущей работы.

Каждый студент за время прохождения лабораторного цикла должен освоить все элементы техники эксперимента: сборку схемы, проведение опытов, снятие показаний приборов и т.д., поэтому выполняемые обязанности в бригаде на каждой лабораторной работе следует менять.

Выполнение лабораторной работы начинается со сборки схемы. Она производится в следующем порядке: вначале собирается «токовая» цепь, состоящая из последовательно включенных элементов (источник питания, амперметры, обмотки электрических машин, нагрузочные сопротивления). Затем к соответствующим точкам цепи подсоединяются параллельные цепи (вольтметры, параллельные обмотки возбуждения машины постоянного тока и т.п.).

При сборке схемы нужно избегать по возможности перекрещивания проводов следует на один зажим присоединять не более трех проводов. После того как схема собрана, переключатели пределов измерительных приборов необходимо установить в положения, соответствующие наибольшим пределам измерений, рукоятку регулировочного автотрансформатора (РНТ) поставить в нулевое положение. Собранную схему необходимо показать преподавателю.

Только после проверки собранной схемы преподавателем и с его разрешения можно включить собранную схему под напряжение.

При выполнении лабораторной работы необходимо строго выполнять правила техники безопасности.

Экспериментальные исследования начинаются с пробного включения лабораторной установки. При этом следует произвести все манипуляции данного опыта и проверить, как изменяется регулируемый параметр машины (напряжение, частота вращения, ток и т.д.), не отклоняются ли стрелки приборов в противоположном направлении и не выходят ли за пределы. При необходимости исправляют замеченные недостатки и только после этого приступают к проведению эксперимента.

Отсчеты по всем измерительным приборам по возможности рекомендуется производить одновременно. Показания приборов следует записать в заранее заготовленные таблицы протокола, отмечая лишь число делений измерительных приборов и пределы измерений. Никаких пересчетов показаний на другие единицы во время опыта делать нельзя.

Протокол является документом, подтверждающим факт выполнения работы, и служит основанием для последующего оформления отчета студентом и проверки преподавателем правильности расчетов, отраженных в отчете. Протокол, подписанный преподавателем, является неотъемлемой частью отчета. Допускается оформление одного протокола на бригаду.

По окончании опыта, не разбирая схемы, выполняют основные расчеты, подтверждающие правильность проведенного эксперимента. Результаты расчета проверяет преподаватель. В зависимости от правильности этих результатов преподаватель дает указание либо на повторение эксперимента, либо на переход к следующему.

Помимо выполнения экспериментов студент самостоятельно и с помощью преподавателя изучает конструкцию разобранных и разрезанных трансформаторов и электрических машин, имеющихся в лабораториях.

Оформление отчета. Отчет по лабораторной работе составляется индивидуально каждым студентом. Отчет содержит следующие элементы.

1. Титульный лист с указанием университета, кафедры, наименования работы, фамилии и инициалов, номера группы.

2. Паспортные данные исследуемых преобразователей.

3. Общая часть программы работы в виде таблиц перевода величин из протокола в абсолютные единицы измерения, расчетов и таблиц расчетных величин; схем, диаграмм и кривых в соответствии с программой работы. Каждый пункт программы, а также таблицы, рассчитываемые величины и кривые снабжаются соответствующими наименованиями. Схемы и таблицы вычерчиваются только по линейке. В отчете должны быть приведены все использованные расчетные формулы. Графики следует вычерчивать на миллиметровке размером 210  297 мм. Масштабы для построения характеристик нужно выбирать так, чтобы единице на графике (1 см) соответствовали 1; 2; 5; 10; 100, а не 3; 7; 6,5 и т.д. единиц измеряемой величины. Характеристики сначала необходимо проводить от руки, а после этого обводить по лекалу. Не следует проводить кривую через все точки, а нужно провести плавную кривую таким образом, чтобы примерно одинаковое количество точек легло по обе стороны кривой. Характеристики должны быть построены тонкими линиями. Опытные точки должны быть специально обозначены. Общие части программы работы у студентов одной бригады могут различаться в зависимости от принятых допущений при обработке результатов эксперимента. Более высоким баллом оцениваются при защите отчета наиболее точные расчеты.

4. Индивидуальная часть программы для каждого студента – по указанию преподавателя. Индивидуальная часть программы оформляется так же, как и общая часть.

5. Выводы относительно видов кривых, результатов расчетов, свойств испытанного преобразователя.

В случаях отставания от планов выполнения лабораторных работ по неуважительным причинам (при несвоевременной защите отчетов, невыполнении программы самостоятельной подготовки, пассивной работе в лаборатории и др.) дополнительные занятия проводятся во внеучебное время с компенсацией материальных затрат.

Организация дополнительных занятий решается студентом индивидуально при обращении к администрации кафедры «Электромеханика».

ВВЕДЕНИЕ

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока (ГОСТ 16110-70).

Работа трансформатора основывается на принципе электромагнитного взаимодействия двух или в общем случае любого числа контуров, неподвижных относительно друг друга.

Для увеличения электромагнитной связи между обмотками первичная и вторичная обмотки располагаются концентрично относительно друг друга. Для снижения намагничивающей мощности применяют замкнутый магнитопровод, набранный из листов электротехнической стали, обладающей высокой магнитной проницаемостью. Умень-шение толщины листов приводит к уменьшению плотности вихревых токов в поверхностном слое листа, повышению средней индукции основного магнитного потока и одновременно снижению потерь в магнитопроводе.

Схема замещения и векторная диаграмма трансформатора приведены на рис. 0.1. Здесь – приведенное сопротивление нагрузки (верхний знак соответствует индуктивному, нижний – емкостному характеру нагрузки).

Основные уравнения в комплексной форме для двухобмоточного однофазного или для одной фазы трехфазного трансформатора:

– уравнения электрического равновесия цепей первичной и вторичной обмоток:

(1)

где U₁, U₂ – действующие фазные напряжения на первичной и вторичной обмотках; Е₁, Е₂ – действующие фазные ЭДС, обусловленные основным (главным) магнитным потоком (потоком взаимной индукции); I₁, I₂ – действующие фазные токи соответствующих обмоток; r₁, r₂ – активные сопротивления фаз обмоток; х₁, х₂ – индуктивные сопротивления рассеяния фаз первичной и вторичной обмоток;

а

б

Рис. 0.1. Схема замещения (а) и векторная диаграмма

трансформатора (б)

– уравнение полных токов обмоток, численно равных соответствующим МДС:

, (2)

где w₁ и w₂ – числа витков первичной и вторичной обмоток; I₀ – намагничивающий ток фазы первичной обмотки; F₀ – амплитуда результирующей МДС в магнитопроводе;

Примечание. В общем случае несинусоидальные величины токов, МДС, напряженности магнитного поля, индукции и магнитного потока при переменной магнитной проницаемости магнитопровода _r заменяются эквивалентными синусоидальными величинами.

– уравнение связи полного тока с параметрами магнитного поля

, (3)

где Н, В и Ф₀ – амплитуды напряженности магнитного поля, индукции и основного магнитного потока в магнитопроводе; _r и ₀ – относительная магнитная проницаемость магнитопровода и абсолютная магнитная проницаемость вакуума;  магнитная проводимость магнитопровода; S₂ – поперечное сечение стали магнитопровода; l_r – эквивалентная длина силовой линии магнитного поля в магнитопроводе.

Примечание. Векторы В и Ф₀ имеют временное запаздывание по отношению к векторам I₀, F₀ и H, связанное с явлением магнитного гистерезиса и потерями в магнитопроводе от вихревых токов; вследствие магнитного запаздывания магнитный поток Ф₀ пропорционален (при _r = const) не полному току I₀, а реактивной по отношению к ЭДС составляющей I_0p;

– выражения ЭДС на основе закона электромагнитной индукции

, (4)

где – угловая частота первичного напряжения;

– выражение потерь в магнитопроводе от гистерезиса и вихревых токов

, (5)

где Р_1,0/50 – удельные потери марки стали магнитопровода при индукции 1,0 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц; n  2 при индукции в магнитопроводе не более 1,5 Тл.

Качественные процессы преобразования энергии в трансформато-

ре в установившихся режимах работы, в том числе и режимах холостого

хода (I₂ = 0) и короткого замыкания, рассматривают путем совместно-

го анализа уравнений (1)–(5), обычно при U₁ = const и f = const и уп-

рощающих анализ допущениях, не вносящих существенных измене-

ний в рассматриваемый режим работы (r₁ = 0, x₁ = 0, P_см = 0, _r = const,

Ф₀  0 и др.). При анализе в необходимых случаях используют вектор-

ную диаграмму режима.

Достаточно точные количественные соотношения могут быть получены после преобразования уравнений (1)–(5) путем замены переменных

(6)

что эквивалентно приведению вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки, и путем замены магнитных процессов в трансформаторе соответствующими электрическими (уравнения (3)–(5)). После преобразования получим:

(7)

где – ЭДС взаимной индукции (использовано последовательное соединение r_m и x_m);

– активное сопротивление намагничивающего контура, эквивалентное потерям в стали;

– индуктивное сопротивление намагничивающего контура (сопротивление взаимной индукции);

= – угол магнитного запаздывания;

– намагничивающая мощность магнитопровода;

– приведенные значения соответствующих сопротивлений вторичной обмотки.

Приравняв величины первого и второго уравнений систе- мы (7), получим уравнение Т-образного четырехполюсника, схема которого приведена на рис. 0.2 и носит название эквивалентной схемы замещения трансформатора.

Рис. 0.2. Г-образная схема замещения

трансформатора

Преобразование получено при условии – намагничивающий ток в режиме холостого хода . Векторная диаграмма полностью соответствует приведенной схеме замещения [1–4, 6–8].

Во многих случаях анализа режимов работы трансформатора, включая холостой ход (z_н = ) и короткое замыкание (z_н = 0), удобно использовать Г-образный аналог Т-образного четырехполюсника [3].

Последовательность расчета режима работы и построения векторной диаграммы зависит от того, какими величинами задан режим работы и значения каких величин требуется определить. Общие расчетные формулы приведены ниже:

(8)

При использовании Г-образной схемы замещения и упрощающем допущении С₁  1, ₁ = 0 [3, 8] получаем

. (9)

Работу трансформатора под нагрузкой можно проанализировать без существенных погрешностей при дальнейшем упрощении Г-об-разной схемы, полагая I₀ = I_0x = 0 [1–4, 6, 7]. В этом случае

, (10)

где – полное сопротивление короткого замыкания; – напряжение короткого замыкания.