Коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия трансформатора равен отношению мощности, отдаваемой вторичной обмоткой во внешнюю цепь , к мощности, потребляемой первичной обмоткой .

(11)

При увеличении нагрузки трансформатора, а именно тока увеличивается полезная мощность , расходуемая во внешней цепи вторичной обмотки. При этом увеличиваются и потери в меди первичной и вторичной обмоток. Потери в стали , зависящие от магнитного потока , остаются практически постоянными. Все эти явления определяют довольно сложную зависимость к.п.д. от тока (рис.4). Эту зависимость можно получить экспериментально, измеряя мощности в первичной и во вторичной цепях при различных значениях тока . Однако, для очень мощных трансформаторов, бывает полезным оценить к.п.д. расчетным путём. Кроме того, идеи, заложенные в расчёт, помогают объяснить ход зависимости () изображённой на рисунке 15.

Очевидно, что ,

Потери в стали считаем постоянными, а потери в меди Р меди можно рассчитать для любого тока нагрузки . Для этого вместо эквивалентного сопротивления введем величину эквивалентного активного сопротивления трансформатора, приведенного к вторичной обмотке

Считая, что , получим следующие выражения для потерь в меди

Введем еще одно понятие - коэффициент загрузки , равного отношению вторичного тока к номинальному току во вторичной обмотке

Отсюда

Подставляя полученные выше выражения в формулу (17) для к.п.д. получим

(12)

Если пренебречь изменением напряжения , то в последнем выражении переменной величиной является только коэффициент нагрузки . При , так как знаменатель не равен 0 из-за . При , . Следовательно, зависимость имеет максимум. Определим те условия, при которых к.п.д. максимален. Для этого приравняем нулю производную от по .

Это выражение равно нулю при выполнении следующего равенства

Отсюда

Таким образом видно, что к.п.д. трансформатора достигнет максимума при таком токе нагрузки , при котором потери в меди становятся равными потерям в стали . Учитывая то обстоятельство, что силовые трансформаторы часть суток работают при нагрузках, меньших номинальной, то расчет трансформатора производят так, чтобы максимум к.п.д. приходился не на номинальную нагрузку, а среднюю в течение суток. Для мощных силовых трансформаторов к.п.д. достигает 98 - 99%. Для трансформаторов же с номинальной мощностью порядка 100 и меньше, применяемых в приборах (радиоприёмниках, осциллографах и др.), к.п. д. снижается до 50%.

Порядок выполнения работы

1)Произвести опыт холостого хода. Для этого собрать схему рис.14.

- вольтметр (75 – 300 В) - вольтметр (7.5 – 60 В) - ваттметр (предел по току 1 – 2 А)

- амперметр (1 – 2 А) - амперметр (5 А) - реостат (30 Ом, 5 А)

Ключ В разомкнут, изменяя напряжение от 40 В до номинального, или несколько выше (250 В), через 20В, записать показания приборов. Данные занести в таблицу I.

	Измерено				Вычислено
	, В	I1,А	U2, В	P2,Вт		Cos()
1	40	-	4,8	0,5		-	8,3
2	70	0,25	10,8	1,5		0,085	6,5
3	80	0,25	13,2	2		0,1	6
4	90	0,25	13,2	2,5		0,11	6,8
5	100	0,25	16,8	3		0,12	5,9
6	140	0,65	24	5,5		0,06	5,8
7	160	0,95	27,6	7,5		0,05	5,7
8	180	1,35	31,6	9,5		0,04	5,6
9	200	1,75	34,4	12		0,03	5,8
10	220	2,45	36	16		0,03	5,7
11	250	4	46,8	23,5		0,04	5,3

Построить графики: , , .

2) Снять загрузочную характеристику.

Для этого установить напряжение равное начальному (220В), и поддерживать его в процессе работы. Замкнуть ключ В.. Изменяя от 0,5 А до 5 А, через 0,5 А, показания приборов записать. Данные занести в таблицу 2.

	Измерено					Вычислено
	,А	,В	,А	U1,В	,Вт	Cos()	,Вт	
1	1,6	36,4	0,49	214	77	0,7	43,68	0,0057
2	1,7	36,8	0,61	216	83	0,6	62,56	0,0075
3	1,8	36,8	0,62	216	85	0,6	66,24	0,0078
4	2,05	36,8	0,65	216	94	0,7	76,44	0,0079
5	2,4	36	0,69	214	109	0,7	84,4	0,0079
6	2,8	36	0,75	214	124	0,8	100,8	0,0081
7	3,3	36	0,82	216	143	0,8	118,8	0,0083
8	4	35,6	0,91	212	166	0,9	142,4	0,0086
9	4,6	35,6	1,01	220	188	0,9	163,76	0,0087

Построить графики: , , .

3) Произвести опыт короткого замыкания.

Прежде чем толстым проводом закоротить сопротивление нагрузки, проверьте, что при включении на первичную обмотку будет подаваться минимальное напряжение. Увеличивая напряжение, следите за показаниями амперметров. Измерьте P_к и U_1к.

Определите R_к. Рассчитайте _p по формулам для значения токов I₂. Постройте график._p=f(I₂)

Рк	Uк
6,5	3
5	2
8	5
7	4
9	5

Контрольные вопросы

1. Из каких основных частей состоит трансформатор? (с. 1)

2. В чем заключается опыт холостого хода, и какие параметры трансформатора определяются‚ по данным этого опыта? (с. 2)

3. В чем заключается опыт короткого замыкания, и какие параметры определяются при этом опыте. (с. 5)

4. Что называется внешней характеристикой трансформатора и как она может быть подключена практически? (с. 3)

5. От каких факторов зависит потеря напряжения в трансформаторе?

6. От каких величин зависит к.п.д. трансформатора и как эти величины определяются? (с. 5,6)

7. При каком условии к.п.д. данного трансформатора имеет максимальное значение? (с. 6)

8. Начертите векторную диаграмму трансформатора в рабочем режиме при активной нагрузке.

9. Какие измене произойдут в режиме работы трансформатора, если в его сердечнике создать воздушный зазор? (с. )

10. Почему в опыте холостого хода мощность , потребляемая в первичной цепи, практически определяется потерями в железе?

11. Задача. Однофазный трансформатор включён в сеть с напряжением = 380 В. и питает лампы накаливания () при напряжении = 120 В. Определите ток в первичной обмотке и потери в меди, если известно, что коэффициент мощности первичной цепи = 0,95, потери холостого хода =40Вт, к.п.д. =95%, = 15 А?

12. Почему мощность трансформаторов измеряется в вольт-амперах (ва), а не в ваттах (Вт)?

Потому что трансформатор выдает не только активную мощность но и реактивную

13. Как по внешним признакам можно отличить обмотку высшего и низшего напряжения?

14. Чем обусловлены размеры трансформаторов? Каково соотношение меди и стали в трансформаторах?

15. Как использовать осциллограф для определения фазовых соотношений потока Ф, токов , и напряжений , в трансформаторе при холостом ходе и нагрузке различного характера (активная, смешанная)? Начертите схемы.

16. Сколько витков надо намотать на магнитопровод сечением 6 х 4 см., чтобы трансформатор мог нормально работать от сети 220 В? Индукция в сердечнике не должна превышать 1,З Тл. Чем в этом случае определяется сечение медного провода?

17. Почему на обмотку трансформатора с номинальным напряжением 22О В. нельзя подавать постоянное напряжение такой же величины? Какое наибольшее напряжение постоянного тока можно подавать на такую обмотку.

18. Дайте оценку исследованному трансформатору, сравнив относительныё изменения вторичного напряжения /, коэффициент полезного действия и напряжения короткого замыкания , полученные для номинального режима с соответствующими величинами стандартных трансформаторов.