EUiST_lab_11_2017g_Issledovanie_odnofaznogo_transformatora

План УМД 2017/2018 уч. г.

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Составители: С.Л. Яблочников, профессор К.Ф. Шакиров, ассистент

Издание утверждено на заседании кафедры протокол № 4 от 12.10 .2017 г.

Рецензент: Е.В.Костюк, доцент

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с устройством, принципом действия и основными параметрами однофазных трансформаторов, а также с методами определения эксплуатационных характеристик трансформатора по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

2.ПЛАН РАБОТЫ.

2.1.Проведение опыта холостого хода трансформатора.

2.2.Проведение опыта короткого замыкания.

2.3.Испытания трансформатора под нагрузкой.

2.4.Расчет и построение характеристик трансформатора по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

3.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

3.1. Трансформатор.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока одной системы в электрическую энергию переменного тока другой системы с иными параметрами (с иным напряжением, током или числом фаз).

Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или, в общем случае, нескольких электрически несвязанных и неподвижных друг относительно друга обмоток. Если одну из обмоток присоединить к сети переменного тока, то .под действием переменного магнитного поля в другой обмотке, магнитно связанной с первой, индукцируется ЭДС. При включении второй обмотки на какой-либо приемник энергии в цепи этой обмотки будет протекать переменный ток, т. е. энергия из одной цепи будет передаваться во вторую.

Обмотка трансформатора, связанная с сетью более высокого напряжения, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, связанная с сетью более низкого напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН).

Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, из которой трансформатор потребляет преобразуемую им электрическую энергию, называется первичной; обмотка, включенная в сеть приемника энергии, называется вторичной. Если первичной обмоткой трансформатора является обмотка высшего напряжения, вторичной - обмотка низшего напряжения, то такой трансформатор называется понижающим; если же первичная обмотка - обмотка низшего напряжения, а вторичная - высшего, то трансформатор называется повышающим.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем однофазные трансформаторы разделяют на стержневые, броневые и тороидальные (кольцевые).

Трансформаторы броневого типа имеют магнитопровод, выполненный из двух Ш- образных фрагментов (если в качестве материала магнитопровода используются ферриты) и одной катушки, на которой размещаются первичная и вторичная обмотка (вторичные обмотки) (рис.1). Часть магнитопровода, на которой располагается катушка с обмотками, называется стержнем магнитопровода, участки магнитопровода (сердечника трансформатора) не несущие обмотки, называются ярмом. Как видно из рис.1 обмотки частично охватываются (бронируются) ярмом.

Рис. 1. Конструкция однофазных трансформаторов броневого типа.

При относительно малой мощности (до нескольких десятков ВА) применяются также ферритовые броневые магнитопроводы чашечного типа, в которых обмотки практически полностью бронируются ярмом, что позволяет существенно уменьшить поля рассеяния трансформатора (под полями рассеяния понимают магнитные поля, магнитные силовые линии которых частично замыкаются по немагнитной среде). Однако при этом ухудшаются условия охлаждения обмоток.

Обмотки трансформатора выполняются из изолированного медного провода круглого или прямоугольного поперечного сечения. При токах в несколько десятков ампер и более для выполнения обмоток может применяться медная фольга. Обмотки трансформаторов бывают двух типов: цилиндрические, состоящие из одного или нескольких слоев (рис. 1 а) и дисковые (галетные), расположенные друг за другом по высоте стержня и разделенные изолирующими прокладками (рис.1 б). Дисковые обмотки применяются в так называемых планарных (плоских) трансформаторах. В планарных трансформаторах используется многослойная печать и обмотки выполняются в виде концентрических печатных проводников. Витки первичной и вторичной обмоток трансформатора располагаются в нескольких слоях печатной платы. В плате имеются окна, в которые вставляется магнитопровод. К достоинствам планарных трансформаторов по сравнению с классическими, имеющими цилиндрические обмотки следует отнести:

-меньшие размеры;

-существенно меньшие поля рассеяния;

-меньшие потери в проводниках обмоток на высоких частотах;

-лучшие условия охлаждения;

-высокую технологичность монтажа и сборки.

Однако производство планарных трансформаторов (и дросселей) требует сложного и дорогого технологического оборудования, затраты на которое окупаются только при серийном выпуске трансформаторов большими партиями. Поэтому в большинстве случаев в настоящее время броневые трансформаторы выполняются с цилиндрическими обмотками.

Тороидальные трансформаторы выполняются на кольцевых (типа К или ОЛ) магнитопроводах (рис.2.в). В качестве материала магнитопровода применяются ферриты, аморфные стали (магнитопроводы типа К) или холоднокатанные электротехнические стали (магнитопроводы типа ОЛ).

К достоинствам тороидальных трансформаторов по сравнению со стержневыми и броневыми следует отнести: практически полное отсутствие полей рассеяния и нечувствительность к внешним магнитным полям, независимо от их направления (при условии равномерного распределения обмоток по периметру кольца магнитопровода); большую поверхность охлаждения обмоток и меньшее магнитное сопротивление магнитопровода вследствие отсутствия каких либо немагнитных зазоров. При прочих равных условиях тороидальные трансформаторы имеют минимальные габариты, однако стоимость их изготовления существенно выше.

В настоящей работе испытывается однофазный трансформатор с сердечником броневого типа.

Номинальные данные трансформатора:

–номинальная мощность трансформатора, ВА ….......………..…300

–номинальное напряжение вторичной обмотки, В …...….………44

–номинальное напряжение первичной обмотки, В ….....…...220

–номинальный ток первичной обмотки, А ………………..1,36

–номинальный ток вторичной обмотки, А ………………….….…6,8

–напряжение короткого замыкания, % ………………………..…5,3

3.2. ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА.

Опыт холостого хода трансформатора проводится с целью определения мощности потерь в магнитопроводе (потерь в стали) трансформатора, тока холостого хода, коэффициента трансформации и параметров эквивалентной схемы. Опыт холостого хода

Рис. 3.

Ток холостого хода трансформатора обычно не превышает (5÷10)% номинального значения тока первичной обмотки (при номинальной мощности трансформатора более 100 ВА). Поскольку потери в обмотках трансформатора (потери в меди) при его номинальной загрузке, как правило, практически равны потерям в стали, то при холостом ходе потерями в меди можно пренебречь.

Диэлектрические потери в низковольтных трансформаторах можно также не учитывать. Таким образом, с достаточным приближением можно считать, что потери при холостом

ходе трансформатора равны потерям в стали, которые складываются из потерь на

магнитной индукции, соответствующей максимальному значению напряжения, приложенному к первичной обмотке трансформатора, обычно выбирается на колене магнитной характеристики. В этом случае потери в стали определяются выражением

, где

Вm- амплитудное значение магнитной индукции основного магнитного потока; fC - частота изменения напряжения источника питания (напряжения сети);

С- константа, значение которой зависит прежде всего от размеров и марки материала магнитопровода трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора К, равный по определению отношению высшего напряжения к низшему напряжению при холостом ходе, определяется по данным опыта холостого хода как

K=U10/U20,

где U10 – действующее значение напряжения, измеряемое в соответствии с рис.3 вольтметром pV1, а U20 - вольтметром pV2.

Трансформатор при холостом ходе может быть представлен в виде эквивалентной схемы ( рис. 4 ), где – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

–индуктивной сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоком рассеяния

;

–активное сопротивление, обусловленное потерями в стали трансформатора;

–индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное основным

Рис. 4.

Так как в реальных трансформаторах амплитудное значение магнитного потока

магнитные силовые линии которого замыкаются по магнитопроводу (сердечнику) трансформатора.

Так как а x0 >> r0 то можно считать, что напряжение, подводимое к первичной обмотке трансформатора, уравновешивается ЭДС первичном обмотки трансформатора,

характеризующую величину реактивной мощности, потребляемой от сети переменного тока для возбуждения магнитного потока в магнитопроводе трансформатора; активную –

, обусловленную потерями в сердечнике.

При проведении опыта холостого хода действующее значение тока холостого хода измеряют амперметром pA1 (рис. 3). Обычно ток холостого хода принято указывать в процентах от номинального тока первичной обмотки i0% или в относительных единицах

I 0* :

I 0* =I0/I1H.

Значение тока холостого хода для конкретного трансформатора зависит от напряжения, подводимого к его первичной обмотке. При увеличении напряжения, увеличивается значение . До тех пор пока находится на линейном участке кривой намагничивания материала магнитопровода (до тех пор пока относительная магнитная проницаемость материала остается неизменной) увеличению напряжения U10 соответствует практически линейное увеличение тока холостого хода. В случае повышения напряжения U10 сверх номинального значения может происходить насыщение материала магнитопровода, что вызывает резкое уменьшение его магнитной проницаемости. В связи с этим резко уменьшается сопротивление , что приводит к резкому увеличению тока холостого хода

трансформатора, полного сопротивления короткого замыкания ZK и его составляющих RK и XK. При проведении опыта вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, а к

Обычно в технической документации напряжение короткого замыкания указывается в

расходуется на потери в обмотках и на потери в сердечнике трансформатора. Учитывая, что при значительном понижении напряжения на первичной обмотке трансформатора резко уменьшается величина магнитной индукции в его сердечнике, можно считать, что потери в сердечнике малы, и ими можно пренебречь. Следовательно, при опыте короткого

xK x1 x2/ индуктивное сопротивление короткого замыкания.

При опыте короткого замыкания измеряют напряжение , при токе первичной обмотки , равном , и мощность . По данным измерения определяют параметры

эквивалентной схемы из следующих выражений:

составляющие напряжения короткого замыкания и пересчитывают их значения в проценты от номинального напряжения.

намагничивания практически линейный. При постоянном значении сопротивления зависимость мощности от напряжения будет иметь квадратичный характер.

3.4. ИСПЫТАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ

Схема проведения испытаний трансформатора под нагрузкой приведена на (рис. 7). Напряжение на зажимах вторичной обмотки изменяется при изменении тока нагрузки. Это объясняется тем, что обмотки трансформатора обладают как активным, так и реактивным сопротивлениями. Напряжение на зажимах вторичной обмотки зависит не только от силы тока, но и от характера нагрузки.

Изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки (выраженное в процентах) определяется следующим выражением:

, где

–активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания;

–коэффициент нагрузки трансформатора;

–угол между напряжением и током во вторичной обмотке трансформатора.

Пользуясь данными опытов холостого хода и короткого замыкания, можно построить внешнюю характеристику .

Рис. 7.

3.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ТРАНСФОРМАТОРА

При работе трансформатора под нагрузкой от сети переменного тока потребляется активная мощность , отдаваемая трансформатором в нагрузку, и мощность, затрачиваемая на потери в сердечнике и потери в обмотках. Потери в сердечнике зависят от частоты тока сети, магнитной индукции, значения которых почти не изменяются при изменении тока нагрузки. Потери в обмотках зависят от тока нагрузки и являются потерями переменными. Они пропорциональны квадрату тока.

Коэффициент полезного действия трансформатора равен отношению активной мощности , отдаваемой трансформатором в нагрузку, к активной мощности , потребляемой от сети переменного тока.

Коэффициент полезного действия не определяется непосредственным путем, так как это требует большого расхода электроэнергии, наличия громоздкой и дорогостоящей нагрузочной аппаратуры и, самое главное, не дает точных результатов. Это объясняется