2952

УДК 621.3

И889

Исследование однофазного трансформатора: Метод. указ. к

выполнению лабораторной работы / Сост. А.Ю. Кузнецов, А.Н. Курбатов. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2015. – 12 с.

Содержат необходимый теоретический материал и порядок выполнения лабораторной работы по исследованию однофазного трансформатора.

Предназначены для студентов направлений: «Водоснабжение и водоотведение», «Промышленное и гражданское строительство», «Экспертиза недвижимости», «Техносферная безопасность», «Эксплуатация железных дорог».

Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Электротехника, диагностика и сертификация».

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р канд. техн. наук, доц. Е.В. Лесных

Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, доц. Е.М. Сухарев

©Сибирский государственный университет путей сообщения, 2015

©Кузнецов А.Ю., Курбатов А.Н., сост., 2015

2

1. Цель лабораторной работы

Целью работы является изучение влияния магнитопровода на работу трансформатора; исследование работы трансформатора под нагрузкой.

2. Общая характеристика трансформатора

Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение – с помощью понижающих.

Трансформаторы применяют в линиях электропередач, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.

В соответствии с назначением различают: силовые трансформаторы – для питания электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы – для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; измерительные трансформаторы – для подключения измерительных приборов.

По числу фаз трансформаторы делятся на одно- и трехфазные. Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяются на низко- и высокочастотные.

Расчетные мощности трансформаторов различны – от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты – от единиц герц до сотен килогерц.

Трансформатор – простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99 %. КПД трансформатора η, определяемый как отношение мощности на выходе P2 к мощности на входе P1, зависит от нагрузки. Современные трансформаторы рассчитывают таким образом, что максимум КПД достигается при нагрузке, равной примерно половине номинального значения.

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопроводом может являться воздушная среда.

4

Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготавливают из магнитомягкого материала – трансформаторной стали, имеющей узкую петлю намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением U1 по обмотке начнет проходить ток I1 (рис. 1), который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток . Магнитный поток, пронизывая ветки вторичной обмотки, индуцирует в ней электродвижущую силу E2, которую можно использовать для питания нагрузки.

Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком , выраже-

5

где ƒ – частота переменного тока; w1, w2 – число витков обмоток;m – амплитудное значение магнитного потока .

Поделив одно равенство на другое, получим E2 / E1 = w2 / w1 = k. Отношение чисел витков обмоток трансформатора называют

коэффициентом трансформации k.

Таким образом, коэффициент трансформации показывает, как относятся действующие значения ЭДС вторичной и первичной обмоток.

На основании закона электромагнитной индукции можно

Поделив одно равенство на другое, получим e2 / e1 = w2 / w1 = k. Следовательно, в любой момент времени отношение мгновенных значений ЭДС вторичной и первичной обмотки равно коэффициенту трансформации. Нетрудно понять, что это возможно

только при полном совпадении по фазе ЭДС e1 и e2.

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U2 = E2, а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки: U ≈ E1. Следовательно, можно написать, что k = E2 / E1 ≈ U2 / U1.

Таким образом, коэффициент трансформации может быть определен на основании измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора. Отношение напряжений на обмотках ненагруженного трансформатора указывается в его паспорте.

Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что S1 ≈ S2, где S1 = U1I1 – мощность, потребляемая из сети; S2 = U2I2 – мощность, отдаваемая в нагрузку.

Таким образом, U1I1 ≈ U2I2, откуда I1 / I2 ≈ U2 / U1 = k. Отношение токов первичной и вторичной обмоток прибли-

женно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I2 во столько раз увеличивается (уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U2.

Реальное магнитное поле трансформатора несколько отличается от идеализированного. На рис. 2 показаны действительные направ-

6

Рис. 2. Магнитное поле трансформатора:

I1 и I2 – токи первичной и вторичной обмоток соответственно

Такую конструкцию имеют большинство однофазных трансформаторов. Часть магнитных линий сцеплена только с первичной или только с вторичной обмотками. Эти линии определяют дополнительные магнитные потоки первичной и вторичной обмоток и называются магнитными потоками рассеяния.

3. Внешняя характеристика трансформатора

Вместе с промышленной сетью, к которой подключена первичная обмотка, трансформатор является источником питания для приемников, подключенных к вторичной обмотке. Важнейшая характеристика трансформатора – внешняя характеристика, представляющая зависимость напряжения на выводах U2 от тока I2, протекающего через нагрузку, т.е. зависимость U2 = ƒ(I2) при U1 = const. Изменение вторичного напряжения U2 = I2Z2 объясняется изменением падения напряжения на полном сопротивлении вторичной обмотки Z2 и изменением ЭДС E2 = E1 за счет измене-

7

ния падения напряжения на полном сопротивлении первичной обмотки Z1 от полей рассеяния. При обычной активной нагрузке напряжение U2 уменьшается с ростом тока I2, и внешняя характеристика имеет вид наклонной прямой 1 на рис. 3.

U2

3

1

φ2 = 0 (активная)

0

I2

Рис. 3. Внешние характеристики трансформаторов средней мощности: 1 – активная нагрузка, φ2 = 0; 2 – активно-индуктивная нагрузка, φ2 > 0; 3 – активно-емкостная нагрузка, φ2 < 0

Значение нагрузки в трансформаторах определяется коэффициентом нагрузки

а характер нагрузки – углом φ2 сдвигом по фазе вторичных напряжений и тока.

Чем больше сопротивления R2 и X2рас, тем больше отличается напряжение U2 от U2инд. Изменение вторичного напряжения

U2 = U2xx – U2.

У силовых трансформаторов при номинальном токе I2ном отношение U2 / U2xx равняется 5…10 %, так как трансформаторы проектируют так, чтобы напряжение холостого хода трансформатора (отсутствует нагрузка на вторичной обмотке) U2xx было на 5 % больше номинального напряжения его приемников.

8

Как видно на рис. 3, внешние характеристики трансформатора линейные и жесткие, что объясняется слабой зависимостью основного магнитного потока от нагрузки.

4.Порядок выполнения лабораторной работы

1.Разместите первичную и вторичную катушки, имеющие по 900 витков каждая, на разъемном сердечнике, состоящем из двух половин, как показано на рис. 2.

2.Подсоедините источники синусоидального напряжения к выводам первичной обмотки согласно схеме (рис. 4) и установите напряжение U1 = 4B, ƒ = 1кГц.

Рис. 4. Схема подключения трансформатора

3. Проведите измерения согласно табл. 1.

Таблица 1

Изменение напряжения на выходе трансформатора в зависимости от его схемы

Для измерения вторичного напряжения при наличии сердечника с зазором поместите лист плотной бумаги между верхней и нижней половинами разъемного сердечника, чтобы имитировать воздушный зазор.

4.Соберите трансформатор на разъемном сердечнике с катушками, имеющими количество витков: w1 = 300 и w2 = 100.

5.Подключите источник питания, как показано на рис. 5, и установите синусоидальное напряжение U1 = 6B, ƒ = 1кГц.

9

Рис. 5. Схема подключения трансформатора для снятия внешней характеристики

6. Измерьте токи и напряжения при сопротивлениях нагрузки Rн согласно табл. 2.

Таблица 2

Внешняя характеристика трансформатора при различных значениях емкости конденсатора

C = 0 мкФ (активная нагрузка)

I2, мА

U2, В

С = 0,1 мкФ (активно-емкостная нагрузка)

I2, мА

U2, В

C = 10 мкФ (активно-емкостная нагрузка)

I2, мА

U2, В

7. Постройте график зависимости U2 = ƒ (I2). При построении графика рекомендуется:

–за нулевую точку взять пересечения координатных осей;

–масштаб по осям выбрать равномерный.

Контрольные вопросы к защите лабораторной работы

1.Опишите назначение и устройство трансформатора.

2.Поясните принцип действия трансформатора.

3.Какие потери энергии возникают в нагруженном трансформа-

торе?

4.Поясните вид внешних характеристик трансформатора.

5.Объясните влияние магнитопровода на работу трансформатора.

6.От чего зависит изменение вторичного напряжения при нагрузке трансформатора?

10