1 Лабораторная работа 1 изучение и исследование однофазных трансформаторов

Цель работы – ознакомиться с конструкцией и принципом действия однофазных трансформаторов. Путем снятия электрических характеристик исследовать работу трансформатора.

1.1 Теоретические сведения

Трансформатором называется электротехническое устройство служащее для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты.

Трансформатор состоит из двух основных частей – магнитопровода (сердечника) из ферромагнитного материала и обмоток.

Трансформаторы могут выполняться на магнитопроводах стержневого, броневого или кольцевого типа (рис.1.1). В стержневых трансформаторах обмотки охватывают стержни магнитопровода, в броневых - сердечник частично охватывает обмотки.

а б в г

а,б – стержневой; в – броневой; г – кольцевой

Рисунок 1.1 – Магнитопроводы трансформаторов

Части магнитопровода, на которых размещены обмотки, называют стержнями, а части его без обмоток соединяющие стержни – ярмами.

Обмотка, к которой подводится электрическая энергия, называется первичной, а обмотка, от которой отводится электрическая энергия к приемнику – вторичной.

Трансформатор может работать в режиме холостого хода, в режиме нагрузки и в режиме короткого замыкания.

Рассмотрим работу однофазного двухобмоточного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа (рис. 1.2).

В режиме холостого хода вторичная цепь разомкнута (I₂ = 0). В первичной обмотке протекает сравнительно небольшой ток I₁₀. Намагничивающая сила первичной обмотки (I₁₀w₁) создает в сердечнике магнитный поток

(1.1)

где Ф_1m – амплитудное значения потока, R_М – сопротивление магнитной цепи, по которой замыкается магнитный поток.

а б

а – с разнесенными, б – с совмещенными обмотками

Рисунок 1.2 - Магнитные потоки трансформатора

Магнитный поток Ф₁ делится на две части: главный (основной) поток Ф₁₀, замыкающийся по магнитопроводу, и поток рассеяния Ф_1Р, замыкающийся по воздуху в пространстве вокруг первичной обмотки.

При работе трансформатора в режиме холостого хода поток рассеяния во много раз (10 …100 ) меньше основного потока, так как сопротивление магнитной цепи ферромагнитного магнитопровода во много раз меньше сопротивления магнитной цепи, по которой замыкается поток рассеяния.

В передаче мощности от первичной обмотки ко вторичной участвует только основной поток, который сцеплен с витками как первичной, так и вторичной обмоток. Поток рассеяния сцеплен с витками только первичной обмотки. Основной магнитный поток индуцирует во вторичной обмотке ЭДС холостого хода.

. (1.2)

Здесь С = f – частота питающей сети; Ф_10m – амплитудное значение основного магнитного потока.

В первичной обмотке ЭДС индуцирует как основной поток Ф₁₀, так и поток рассеяния Ф_1Р. Напряжение U₁, подведенное к первичной обмотке, уравновешивается этими ЭДС и падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки. Пренебрегая незначительным сдвигом по фазе магнитных потоков Ф₁₀ и Ф_1Р, можно для действующих значений напряжений и ЭДС записать

(1.3)

Обмотки трансформатора выполняются медным или алюминиевым проводом достаточного сечения и, следовательно, имеют малое активное сопротивление. В свою очередь ток холостого хода I₁₀ не более 3-10% номинального первичного тока трансформатора (тем меньше чем мощнее трансформатор). Поэтому величина I₁₀R₁ ничтожно мала по сравнению с U₁ и ей можно пренебречь. Тогда получим, что в режиме холостого хода первичное напряжение U₁ практически равно по величине (и противоположно по фазе) ЭДС Е₁

(1.4)

В соответствии с (1,2) и (1,4) коэффициент трансформации определится выражением

(1.5)

где К_М –коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками:

(1.6)

В трансформаторах с нормальным рассеянием, у которых первичная и вторичная обмотки совмещены (например, намотаны концентрично одна поверх другой), К_М  1. В трансформаторах с увеличенным рассеянием, у которых первичная и вторичная обмотки разнесены на разные стержни или на разные участки одного стержня, К_М  1 (К_М=0,9–0,98). При этом, в соответствии с выражением (1.5)

(1.7)

То есть наличие потоков рассеяния приводит к некоторому снижению напряжения холостого хода трансформатора, что необходимо учитывать при расчете количества витков вторичной обмотки.

При подключении нагрузки во вторичной обмотке появляется ток I₂, который создает магнитный поток Ф₂, направленный встречно потоку Ф₁:

. (1.8)

Основная часть этого потока Ф₂₀ замыкается по магнитопроводу трансформатора, а часть потока замыкается в пространстве вокруг вторичной обмотки, образуя поток рассеяния вторичной обмотки Ф_2Р ( рис. 1.2)

Магнитный поток, сцепленный с витками первичной обмотки, в режиме нагрузки определится разностью потока, созданного намагничивающей силой первичной обмотки (I_1Hw₁), и основной частью магнитного потока вторичной обмотки

(1.9)

Результирующий магнитный поток сцепленный с первичной обмоткой, индуцирует в ней ЭДС самоиндукции, которая в основном уравновешивает подведенное к ней напряжение U₁ (см. (1.4). Поэтому Ф_1РЕЗ остается почти неизменным при любых режимах работы трансформатора.

(1.10)

Следовательно, увеличение вторичного тока сопровождается соответствующим увеличением первичного тока

(1.11)

и мощности, потребляемой трансформатором от питающей сети.

Магнитный поток рассеяния вторичной обмотки не сцеплен с витками первичной обмотки и, следовательно, не компенсируется соответствующим увеличением первичного тока. Следовательно результирующий магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, а значит и ЭДС индуктируемая во вторичной обмотке, уменьшается с увеличением тока нагрузки.

Коэффициент пропорциональности между потокосцеплением  = wФ и током в катушке определяет ее индуктивность

(1.12)

Магнитным потокам рассеяния соответствуют эквивалентные индуктивности рассеяния

(1.13)

В цепи синусоидального переменного тока индуктивностям рассеяния соответствуют индуктивные сопротивления X_1p = L_1Р, X_2p = L_2Р, а трансформатору в целом эквивалентное индуктивное сопротивление X_Т.

Уравнение трансформатора (в векторной форме) приближенно можно записать в виде

, (1.14)

где R_Т – эквивалентное активное сопротивление обмоток трансформатора.

Векторная диаграмма напряжений трансформатора при активной нагрузке R_Н приведена на рис.1.3.

Рисунок 1.3 - Векторная диаграмма трансформатора

Обмотки трансформатора обладают малым активным сопротивлением. Падение напряжения на активном сопротивлении при номинальном для данного трансформатора токе составляет 1…3% от напряжения холостого хода:

.

Если трансформатор выполнен с нормальным рассеянием, то есть его первичная и вторичная обмотки совмещены, то магнитный поток, создаваемый намагничивающей силой каждой из обмоток, практически полностью сцеплен с обеими обмотками, а потоки рассеяния первичной и вторичной обмотки практически полностью компенсируют друг друга (рис.1.2б). Магнитные потоки рассеяния и эквивалентные им индуктивности рассеяния при этом близки к нулю.

, , .

Такой трансформатор в диапазоне рабочих токов при активной нагрузке имеет пологопадающую (близкую к жесткой) внешнюю характеристику, сдвиг фаз φ между напряжением холостого хода и током нагрузки близок к нулю, а коэффициент мощности cosφ , близок к единице.

Трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки разнесены, то есть размещены на разных стержнях (рис.1.2а). или на разных участках одного стержня, обладают повышенной индуктивностью рассеяния и имеют падающие или крутопадающие внешние характеристики и крутизну наклона характеристики можно регулировать изменяя степень разнесения обмоток трансформатора. Сдвиг фаз φ между напряжением холостого хода и током нагрузки может быть значительным, а коэффициент мощности cosφ , значительно меньшим единицы.