Методические материалы (8) (4) (1) / Метод указания трансформаторы

Методическое пособие предназначено для студентов всех специальностей и всех форм обучения, учебными планами которых предусмотрено изучение курса «Электротехника и электроника». В пособии дано описание трансформаторов и указания к выполнению лабораторной работы.

Составители: Быковский Н.А., доц., канд. техн. наук

Рецензент: Рахман П.А. – к.т.н., доцент кафедры АТИС Кадыров Р.Р. – к.т.н., доцент кафедры АТИС

С Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2018

2

3

1 ПРАВИЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ В ЛАБОРАТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Лабораторные стенды и установки в лаборатории электротехники питаются от источников электрической энергии с напряжением 220 В. Поэтому при выполнении работ необходимо строгое соблюдение правил техники безопасности.

1.Нахождение посторонних лиц (в частности, студентов, свободных от выполнения работ) в лаборатории без ведома преподавателя, проводящего занятия, запрещается.

2.Приступать к выполнению лабораторного практикума можно только

после изучения инструкций и инструктажа по технике безопасности на рабочем месте. При этом обязательно оформление контрольного листа по т/б

всоответствии с требованиями.

3.Перед началом работы нужно изучить принципиальную схему установки настолько, чтобы свободно определять опасные элементы, как на схеме, так и на реальной установке.

4.Не подавать на схему напряжения до проверки ее преподавателем.

5.Не переносить самовольно отдельные детали и приборы с одного стенда на другой.

6.Перед включением рубильника проверить правильность установки рукояток автотрансформаторов и реостатов.

7.Не производить переключения проводов или разборку схемы при включенном рубильнике.

8.Не касаться металлических деталей, находящихся под напряжением.

9. Не производить самим замену предохранителей.

10.Не разбирать схему до проверки результатов опытов преподавателем.

11.Не оставлять включенную установку без присмотра. По окончании работы выключить установку согласно инструкции, сообщить об окончании работы преподавателю и привести в порядок рабочее место.

4

2 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

2.1 Порядок выполнения лабораторных работ

Перед началом лабораторной работы студент обязан познакомиться с инструкциями по технике безопасности, прослушать инструктаж по т/б на рабочем месте и расписаться в контрольном листе инструктажа по т/б.

Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо изучить ее теоретическую часть, принципиальную схему установки, методику измерения величин, определенных в задании, и разработать план выполнения лабораторной работы.

После сборки электрической схемы и проверки ее преподавателем приступить к выполнению экспериментальной части. При измерении исследуемых величин обеспечивать максимальную точность. Полученные данные записывать в соответствующие таблицы. Необходимые вычисления производить аккуратно с точностью до третьей значащей цифры.

По окончании лабораторной работы показать преподавателю полученные результаты, и после разрешения приступать к разборке электрической схемы. Привести в порядок рабочее место.

2.2 Правила оформления отчета

Приступать к оформлению отчета по лабораторной работе следует после выполнения всех экспериментов и необходимых математических расчетов. Отчет оформлять на стандартных листах формата А4 с соответствующими рамками и угловыми штампами согласно ЕСКД. Все рисунки, схемы, элементы электрических цепей, графики должны быть выполнены согласно ЕСКД с помощью чертежных инструментов. При выполнении графиков на осях координат указывать откладываемые величины и единицы их измерения.

На титульном листе отчета должны быть указаны наименование министерства, университета, филиала, кафедры и самой лабораторной работы. Затем пишутся фамилия и инициалы студента, выполняющего работу, а также указывается его группа, а ниже – фамилия и инициалы преподавателя, проверяющего работу.

При оформлении лабораторной работы нужно указать все необходимые расчетные формулы. Вычисления производятся с точностью до третьей значащей цифры. В конце отчета необходимо указать список используемой литературы. Для защиты отчета по лабораторной работе необходимо подготовить ответы на контрольные вопросы.

2.3 Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать титульный лист, цель работы, приборы и принадлежности, задание на работу, электрические схемы, экспериментальные данные, расчетные формулы, графики,

5

диаграммы и выводы.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Назначение и область применения трансформаторов

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока с одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при сохранении частоты переменного тока неизменной.

Для экономичной передачи больших мощностей на значительные расстояния выгодно использовать линии электропередач, работающие при высоких напряжениях. Для этого с помощью повышающих трансформаторов увеличивают напряжение в линиях в зависимости от расстояния до 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

Потребление электрической энергии на промышленных предприятиях, транспорте, в сельском хозяйстве и быту осуществляется при значительно меньших напряжениях (220, 380, 600 В и реже 3, 6,

10 кВ). Для уменьшения напряжения устанавливают понижающие трансформаторы.

В связи с многократной трансформацией электрической энергии по пути электрическая станция – потребитель установленная мощность трансформаторов примерно в 5 раз превышает мощность генераторов. Повышающие и понижающие трансформаторы системы передачи и распределения электрической энергии называются силовыми.

Трансформаторы, используемые для других целей, относят к группе специальных. Это, например, измерительные трансформаторы, сварочные трансформаторы, трансформаторы для преобразовательных устройств, электротермических установок, для устройств связи, радио и т.д.

3.2 Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из обмоток и магнитопровода. Обмотки трансформатора выполняются в виде концентрических цилиндрических или прямоугольных катушек из изолированных медных или алюминиевых проводов.

Трансформаторы бывают двух-, трех- и многообмоточными. Обмотка, соединяемая с источником электрической энергии, называется первичной. Обмотка, соединяемая с потребителем электрической энергии, называется вторичной. Кроме того, различают обмотки высокого и низкого напряжения. Как правило, обмотка низкого напряжения размещается на стержне магнитопровода, а снаружи на ней обмотка высокого напряжения. Обе обмотки отделяются друг от друга и от магнитопровода изоляционными

электротехнической стали толщиной 0,3 – 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком или жидким стеклом. Это необходимо для уменьшения вихревых токов и, следовательно, потерь энергии в магнитопроводе. Сердечники магнитопроводов в основном имеют О- или Ш-образную форму и собираются из отдельных пластин, как показано на рисунке 3.1, с взаимным перекрытием воздушных зазоров для уменьшения магнитного сопротивления стыков между пластинами.

Нечетный слой

Четный слой

Рисунок 3.1

По расположению обмоток на сердечнике различают стержневые (рисунок 3.2) и броневые (рисунок 3.3) трансформаторы.

Стержневые трансформаторы находят большее распространение, а броневые находят применение в качестве однофазных трансформаторов.

Потери электрической энергии в обмотках и сердечнике сопровождаются нагревом трансформатора. Бумажная изоляция, в основном используемая в современных трансформаторах, допускает нагрев до 1000 С, что обеспечивает нормальный срок службы 15-20 лет. Перегрев изоляции на

7

80 сверх 1000 С сокращает срок ее использования в 2 раза. Поэтому для рациональной электромагнитной загрузки и нормальной длительности эксплуатации необходимо обеспечить охлаждение всех частей трансформатора.

Для небольших мощностей трансформаторы выпускают с воздушным охлаждением, а для средних и больших мощностей – с масляным охлаждением, т.е. сердечник с обмотками помещают в масляную ванну.

3.3 Принцип действия трансформатора

Рассмотрим трансформатор, состоящий из двух обмоток, расположенных на О-образном сердечнике (рисунок 3.4). К одной обмот-

Рисунок 3.4 ке, которая называется первичной, подводится электрическая энергия

от источника питания. От другой – вторичной обмотки – электрическая энергия отводится к потребителю (нагрузке). Все величины, относящиеся к этим обмоткам, называются соответственно первичными или вторичными.

Под действием переменного напряжения u1 в первичной обмотке трансформатора возникает ток i1 и в сердечнике возбуждается переменный магнитный поток. Этот поток индуцирует ЭДС е1 и е2 в обеих обмотках трансформатора. ЭДС е1 уравновешивает основную часть напряжения u1, приложенного к первичной обмотке. ЭДС е2 создает напряжение u2 на выходных зажимах трансформатора. При включении нагрузки во вторичной цепи возникает ток i2. Этот ток создает собственный магнитный поток в сердечнике. Магнитные потоки от токов i1 и i2 складываются, образуя общий магнитный поток в сердечнике Ф, сцепленный с витками обеих обмоток

8

трансформатора и определяющий в них результирующие ЭДС е1 и е2. Помимо основного (рабочего) магнитного потока Ф в сердечнике,

токи обмоток создают в окружающем пространстве магнитное поле рассеяния. Магнитные линии этого поля сцеплены с витками только одной обмотки – первичной или вторичной. Магнитные потоки рассеяния индуцируют в обмотках трансформатора дополнительные ЭДС.

Таким образом, в трансформаторе передача электрической энергии из первичной цепи во вторичную осуществляется посредством переменного магнитного поля в сердечнике. Следует отметить, что при этом первичная и вторичная цепи электрически изолированы друг от друга.

3.4 Идеализированный трансформатор

У идеализированного трансформатора магнитное поле рассеяния отсутствует и активное сопротивление обмоток равно нулю. В этих условиях напряжение u1 на зажимах первичной обмотки трансформатора уравновешивается только ЭДС е1, индуцируемой рабочим потоком Ф сердечника (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5

Наведенная этим потоком ЭДС е2 во вторичной обмотке трансформатора численно равна напряжению u2 на нагрузке. Согласно второму закону Кирхгофа уравнения электрического состояния в первичной и вторичной цепях имеют вид

трансформатора справедливо соотношение

Это уравнение указывает на важное свойство идеализированного трансформатора преобразовывать напряжение без искажения формы. При любой форме кривой напряжения u1 на зажимах первичной обмотки напряжение u2 на нагрузке будет изменяться по кривой, форма которой аналогична форме кривой напряжения u1. В частности, при синусоидальном напряжении источника питания u1 напряжение u2 на вторичной обмотке будет изменяться также по синусоидальному закону. Отношение действующих значений этих напряжений будет равно коэффициенту трансформации

Рассмотрим уравнение магнитного состояния трансформатора. Изменение магнитного потока в сердечнике однозначно связано с приложенным к трансформатору напряжением

Очевидно, что при синусоидальном напряжении u1 магнитный поток в сердечнике изменяется также по синусоидальному закону. В свою очередь магнитный поток Ф(t) определяет величину напряженности магнитного поля Н(t) для каждого момента времени. Эти две величины связаны между собой параметрической зависимостью В(Н), которая графически выражается динамической петлей перемагничивания.

С другой стороны, напряженность магнитного поля Н(t) связана по закону полного тока (теорема о циркуляции вектора Н) с намагничивающими силами первичной и вторичной обмоток трансформатора

где lс – длина средней магнитной линии сердечника. Следовательно, при заданном законе изменения напряжения на

первичной обмотке u1 сумма намагничивающих сил в каждый момент времени должна иметь определенное значение независимо от характера и величины нагрузки трансформатора. В частности, в режиме холостого хода ток i2 равен нулю и магнитный поток создается только током холостого хода первичной обмотки i1х. Уравнение (3.6) в этом случае приобретает вид

10