1 Група . Мета роботи

Вивчити основні властивості однофазного трансформатора при двох режимах його роботи: холостому ході і навантаженні.

2. Обладнання

2.1 Лабораторний стенд СЗЕ-2 – 1 шт.

2.2 Трансформатор – 1 шт.

2.3 Амперметр змінного струму з межею вимірювань 0-1 А – 1 шт.

2.4 Амперметр змінного струму з межею вимірювань 0-5 А – 1 шт.

2.5 Вольтметр змінного струму з межею вимірювань U = 220 B, I = 2,5 A – 1 шт.

2.6 Вольтметр змінного струму з межею вимірювань 0-300 B – 2 шт.

2.7 Ламповий реостат – 1 шт.

3. Теоретичне обґрунтування

Трансформатор – це статичний електромагнітний пристрій, який перетворює одну систему змінного струму в іншу систему змінного струму.

Принцип дії трансформатора засновано на явищі електромагнітної індукції.

При пропусканні по первинній обмотці трансформатора з кількістю витків W₁ змінного стуму повної частоти f в магнітопроводі трансформатора виникає змінний магнітний потік Ф, який буде індукувати в кожному витку первинної і вторинної обмотки змінну електрорушійну силу (ЕРС) тієї ж частоти.

Величина ЕРС витка Е_в залежить від величини магнітного потока Ф_м, який створюється намагнічувальною силою W₁І₁ первинної обмотки трансформатора, а також від частоти f струму І₁.

Так як первинна і вторинна обмотки мають різну кількість витків, а індуктуєма ЕРС в них створюється одним магнітним потоком Ф, то електрорушійні сили Е₁ та Е₂ а обмотках будуть більше ЕРС витка Е_в в W₁ і W₂ раз:

Е₁ = 4,44 W₁ f Ф_м Е₂ = 4,44 W₂ f Ф_м

Поділивши ці формули одні на одну, отримаємо:

=

Це співвідношення виявляє основну властивість трансформатора: ЕРС в його обмотках пропорційна кількості витків.

Рисунок 3.1- Принципова схема однофазного трансформатора

Т оді, з рівняння слідує

= = K

Коефіцієнт трансформації К показує у скільки разів напруга в первинній обмотці більше (або менше) напруги у вторинній обмотці в режимі холостого ходу.

Коли , то і - трансформатор понижуючий.

Коли , то і - трансформатор підвищуючий.

Із формули витікає, що коефіцієнт трансформації К модна можна визначити двомa способами:

а) як співвідношення числа витків первинної обмотки до числа витків вторинної обмотки;

б) дослідницьким шляхом, вимірявши вольтметром напругу і при холостому ході.

Споживаєма трансформатором потужність і потужність віддаваєма вторинною обмоткою споживача електричної енергії, визначається наступним співвідношенням:

де - кути зсуву фаз між напругами в первинній і вторинній обмотці і струмами в них;

- коефіцієнт потужності первинного і вторинного кіл трансформатора.

Якщо знехтувати втратами енергії в трансформаторі, які відносно малі, особливо в потужних трансформаторах, то можна вважати, що вся південна потужність до первинної обмотки трансформатора, повністю передається вторинній обмотці, яка живить споживач з опором z,

Або за формулами

Вважаючи, що при роботі трансформатора і близькі за величиною одне одному, отримаємо

звідки

Із формул витікає

= = K

тобто, струми і в обмотках трансформатора розподіляються обернено пропорційно кількості витків ( і ) в них, а також напругами і .

Розрізняють два режими роботи трансформатора: при холостому ході і при навантаженні.

При холостому ході вторинна обмотка трансформатора розімкнена і більша частина всієї південної потужності витрачається на компенсацію втрат в сталі магнітопроводу трансформатора (які, як відомо, складають із втрат на гістерезис і вихрові струми ) і втрати в міді проводів первинної обмотки , які спричиняються нагрівом проводів струмом холостої ходи:

+

де - струм холостого ходу, - активний опір первинної обмотки трансформатора.

Потужність є активною потужністю, так як втрати в сталі і міді проводів мають активний характер. Тому може бути визначено за допомого ватметра, який включено в коло первинної обмотки трансформатора.

Конструкції трансформаторів такі, що потужність втрат в міді проводів в десятки разів менш, ніж потужність втрат в сталі магнітопроводі. Тому, припускають відповідні похибки, можна потужністю втрат знехтувати і рівняння набере вигляду

Таким чином, холостий хід трансформатора слід використовувати не тільки для визначення коефіцієнта трансформації К, але і для визначення потужності втрат .

Залежність струму холостого ходу від величини напруги , підведеної до затискачів первинної обмотки , отримали назву характеристики холостого ходу трансформатора.

I₀

U₀

0

Рисунок 3.2 – Характеристика неробочого ходу трансформатора

При навантаженні трансформатора (другий режим роботи трансформатора) окрім корисної потужності , яка витрачається в опорі z, підключеного до затискачів вторинної обмотки (рисунок 3.3), виникає потужність втрат , яка буде більше потужності втрат при холостому ході трансформатора.

Це пояснюється тим, що потужність втрат міді проводів підвищується, так як ці втрати виникають не тільки в первинній, але і у вторинній обмотках трансформатора:

де - активний опір вторинної обмотки трансформатора.

Однак потужність втрат і при цьому режимі буде такою ж, як і при холостому ході, так як магнітний потік Ф трансформатору у обох режимах залишається без змін.

Відповідно, рівняння набуває вигляду:

Величини , як вказувалося вище, визначається при холостій ході трансформатора. Що стосується , то вона може бути визначена практично в режимі короткого замикання.

Вторинна обмотка затискається на коротко, а до затискачів первинної обмотки підводять понижену напругу (приблизно 5-15% від нормальної напруги ), при якому струми і в обмотках будуть дорівнювати їх номінальним значенням. При такому режимі вся південна потужність буде втрачатися в міді проводів і сталі магнітопроводу:

А так як підведена напруга до затискачів первинної обмотки дуже мала, то і потужність буде малою, значно меншою за потужність втрат :

Нехтуючи значенням , можна вважати, що вся південна потужність до первинної обмотки компенсації втрам в міді проводів обмоток:

Р₁ = Р₀₁ =

Таким чином, ватметр, включений до кола первинної обмотки трансформатора, у цьому випадку покаже активну потужність Р₁, рівну потужності втрат Р₀₁.

Робота трансформатора під навантаженням визначається характеристиками:

U₂ = f(I₂) і I₁ = f(I₂), які зображені на рисунку 3.3.

К оли вторинна обмотка відключена від споживачів електричної енергії, до з достатньою ступінню точності можна вважати, що Е₁ = U₁; Е₂ = U₂.

U₂

I₁

І₁

U₂

I₀

I₂

Рисунок 3.3 – Змінення І, в первинній обмотці трансформатора і напруги U₂ на затискачах вторинної обмотки при зміненні струму I₂

Перша характеристика U₂ = f(I₂), тобто залежність напруги U₂ на затискачах вторинної обмотки трансформатора від струму I₂ в ній, що з ростом I₂ напруга U₂ зменшується. Для силових трансформаторів зниження напруги U₂ при зміщенні струму в межах від струму холостої ходи I₀ до мінімального I_н відносно незначне. Зниження напруги U₂ з ростом I₂ пояснюється головним чином збільшенням спаду напруги I₂ Z₂ на повному опорі Z₂ вторинної обмотки трансформатора:

Друга характеристика I₁ = f(I₂) – залежність струму I₁ в первинній обмотці від струму I₂ у вторинній обмотці – виходить такою тому, що з ростом I₂ збільшується корисна потужність Р₂ на споживачі Z, витрата якої компенсується підведеного потужністю Р₁ до трансформатора.

Але ж зростання потужності Р₁, споживаємої трансформатором, можливе тільки як напруга U₁, підведена до первинної обмотки, залишається практично постійною.

Так як при роботі трансформатора під навантаженням неминучі втрати, то він завжди працює з відповідним коефіцієнтом корисної дії (ККД - η). Трансформатори, які відрізняються потужністю один від одного, мають різні ККД, численні значення яких коливаються при номінальних навантаженнях в межах 70-98%. Значення η трансформатора визначається співвідношенням віддаваємої потужності Р₂ до потужності Р₁, яка споживається трансформаторами:

η = 100%

або

η = 100%

Треба мати на увазі, що із зміненням корисної потужності, яка витрачається на опорі Z, значення η не залишається постійним. Найбільший ККД досягається тоді, коли Р_ст = Р_м.