Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнический практикум. Ч.2. Учебно-методическое пособие
.pdf
Таким образом, из опыта короткого замыкания можно опреде-
0
0
1
2
100
P
P
МЕДИCT
PPPP
21
222
UIP
PM,P
CT, η
P
CT,
P
M
η
I
2
лить все сопротивления упрощенной схемы замещения трансформатора и, соответственно, определить потери в меди.
Коэффициент полезного действия трансформатора
Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора η равен
отношению мощности, отдаваемой вторичной обмоткой во внешнюю
цепь P2, к мощности, потребляемой первичной обмоткой P1.
. (6.17)
При увеличении нагрузки трансформатора, а именно тока I2, увеличивается полезная мощность P2, расходуемая во внешней цепи вторичной обмотки. При этом увеличиваются и потери в меди PM первичной и вторичной обмоток. Потери в стали PСТ, зависящие от
магнитного потока ФM, остаются практически постоянными. Все эти
явления определяют довольно сложную зависимость КПД η от тока I2
(рис. 6.15). Эту зависимость можно получить экспериментально, измеряя мощности в первичной и во вторичной цепях трансформатора
при различных значениях тока I2.
Зная механизмы потерь в трансформаторе, можно записать:
,
.
Рис. 6.15. Общий вид зависимостей потерь и КПД
Однако для очень мощных трансформаторов целесообразно оценить КПД расчетным путем. Кроме того, идеи, заложенные в расчет,
21
помогают объяснить ход зависимости η (I2), изображенной на ри-
KK
rKR2
КIII
221
KKkkM
RIrKIrIrIP
2
2
22
2
2
2
2
)(
H
I
I
2
2
HII22
KHCTH
H
KCTMCT
RIPIU
IU
RIPIU
IU
PPP
P
22
222
22
2
222
22
2
2
0
0
0
0
)(
)(
22
222
2
2
2
22
2
222
22
KH
CT
H
KHCTH
KH
CT
H
H
RI
P
IU
RIPIU
RI
P
IU
IU
KHCT
RIP
2
2
2
MKK
H
CT
PRIR
I
P
2
2
2
2
2
сунке 6.15.
Потери в стали считаем постоянными, а потери в меди PM можно
рассчитать для любого тока нагрузки I2. Для этого вместо эквивалентного сопротивления rK введем величину эквивалентного активного сопротивления трансформатора, приведенного к вторичной обмотке
Считая, что
терь в меди:
.
, получим следующие выражения для по-
.
Введем еще одно понятие — коэффициент загрузки β, равный отношению вторичного тока I2 к номинальному току во вторичной об-
мотке I2Н, то есть
. Следовательно,
.
Подставляя полученные выше выражения в формулу (6.17) для
КПД, получим:
. (6.18)
Если пренебречь изменением напряжения U2, то в последнем выражении переменной величиной является только коэффициент
нагрузки β. При
,
, так как знаменатель не равен 0 из-за PСТ.
При
,
. Следовательно, зависимость η(β) имеет максимум.
Определим те условия, при которых КПД η максимален. Для этого
приравняем нулю производную от η по β.
.
Это выражение равно нулю при выполнении следующего равенства:
. Отсюда
.
Таким образом, видно, что КПД трансформатора достигнет максимума при таком токе нагрузки I2, при котором потери в меди становятся равными потерям в стали PСТ. Учитывая то обстоятельство,
22
что силовые трансформаторы часть суток работают при нагрузках,
V
1
A1 W
V
2
A2 * * I U
R
Тр
В2 ЛАТР
220В
меньших номинальной, то расчет трансформатора производят так,
чтобы максимум КПД приходился не на номинальную нагрузку, а
среднюю в течение суток. Для мощных силовых трансформаторов
КПД достигает 98–99%. Для трансформаторов же с номинальной
мощностью порядка 100 Вт и меньше, применяемых в радиоэлектронных приборах (радиоприемниках, осциллографах и др.), КПД
снижается до 50%.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
З а д а н и е I. Исследование работы трансформатора в ре-
жиме холостого хода
1) Собрать электрическую схему, изображенную на рисунке 6.16.
Рис. 6.16. Рабочая схема
для исследования трансформатора
Приборы и компоненты: вольтметр V1 с пределами измерения
75–300 В; вольтметр V2 с пределами измерения 7.5–60 В; ваттметр с
пределами измерений по току 1–2 А; амперметр A1 c пределами измерений 0.25–1 А; амперметр A2 с пределами измерений 2.5–5 А; реостат с номинальными параметрами 30 Ом, 5 А.
2) При разомкнутой вторичной обмотке (ключ В2 разомкнут) из-
меняя напряжение U1 от 80 В до номинального, или несколько выше
23
(до 240 В), с шагом 20 В, записать показания приборов. Данные зане-
11
1
cos
IUP
)(11UfI
)(1Ufk
)(11UfP
№
п/п
Измерено
Вычислено
U1,В
I1, A
U2, В
P1, Вт
cosφ
К
1
80
2
100
3 120
4
140
5
160
6 180
7 200
8 220
9 240
№
п/п
Измерено
Вычислено
U1, В
I1, A
P1, Вт
U2, В
I2, A
cos
P2, Вт
1
220 0 2
220 0.5 3
220 1.0 4
220 1.5
5
220 2.0
сти в таблицу 6.1. Стоит отметить, что
.
3) По данным измерений и расчетов построить графики зависи-
мостей:
,
,
.
4) Определить величину магнитного потока ФM в сердечнике
трансформатора. Измерив сечение сердечника S, рассчитайте магнитную индукцию BM (см. формулы 6.1 и 6.2).
Таблица 6.1
З а д а н и е II. Исследование работы трансформатора под
нагрузкой
1) Установить напряжение, равное номинальному (220 В), и под-
держивать его неизменным в ходе работы. Замкнуть ключ В2. Изменяя I2 от 0,5 А до 5 А, с шагом 0,5 А, записать показания приборов.
Данные занести в таблицу 6.2.
Таблица 6.2
24
№
п/п
Измерено
Вычислено
U1, В
I1, A
P1, Вт
U2, В
I2, A
cos
P2, Вт
6
220 2.5 7
220 3.0 8
220 3.5 9
220 4.0
10
220 4.5
11
220 5.0
)(22IfU
)(21IfI
)(2If
)()cos(
21
If
№
п/п
Измерить
Вычислить
I2, A
U2, В
I1, A
P1, Вт
U1, В
R
K
1 0 0
2
1.0 0 3 2.0 0
4
3.0 0 5 4.0 0
6
5.0 0
2) По данным измерений и расчетов построить графики зависи-
мостей:
,
,
,
.
З а д а н и е III. Исследование работы трансформатора в ре-
жиме короткого замыкания
1) Отключить схему после предыдущих измерений от сети, затем
необходимо разобрать схему вторичной обмотки исследуемого
трансформатора (схему первичной обмотки трансформатора оставить
без изменений!!!). После этого нужно закоротить вторичную обмотку
через амперметр A2. Включать схему можно только после ее про-
верки преподавателем или лаборантом!!!
2) Выставив напряжение на ЛАТРе на минимуме, включить схему, плавно увеличивая напряжение на ЛАТРе от минимума до такого
значения, при котором ток во вторичной обмотке равен 5 А. Шаг измерений равен 1.0 А. Заполнить таблицу 6.3.
Таблица 6.3
чения тока I2. Постройте график
3) Определите Rк. Рассчитайте по формулам для каждого зна-
= f(I2).
p
25
З а д а н и е IV. Определение числа витков первичной и вто-
0
P
1
I
2
I
1
U
2
U
ричной обмоток с помощью эталонной катушки
Примечание. Схему опыта и необходимые приборы согласуйте с
преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Из каких основных частей состоит трансформатор?
2. В чем заключается опыт холостого хода и какие параметры
трансформатора определяются по данным этого опыта?
3. В чем заключается опыт короткого замыкания и какие пара-
метры определяются при этом опыте?
4. Что называется внешней характеристикой трансформатора и
как она может быть получена практически?
5. От каких факторов зависит потеря напряжения в трансфор-
маторе?
6. От каких величин зависит КПД трансформатора и как эти ве-
личины определяются?
7. При каком условии КПД данного трансформатора имеет мак-
симальное значение?
8. Начертите векторную диаграмму трансформатора в рабочем
режиме при активной нагрузке.
9. Какие изменения произойдут в режиме работы трансформато-
ра, если в его сердечнике создать воздушный зазор?
10. Почему в опыте холостого хода мощность
, потребляемая в
первичной цепи, практически определяется потерями в железе?
11. Почему мощность трансформаторов измеряется в вольт-
амперах (В·А), а не в ваттах (Вт)?
12. Как по внешним признакам можно отличить обмотку высше-
го и низшего напряжения?
13. Чем обусловлены размеры трансформаторов? Каково соот-
ношение меди и стали в трансформаторах?
14. Как использовать осциллограф для определения фазовых со-
отношений потока Ф, токов
,
и напряжений
,
в трансфор-
маторе при холостом ходе и нагрузке различного характера (активная,
смешанная)? Начертите схемы.
15. Сколько витков надо намотать на магнитопровод сечением
(6 4) см2, чтобы трансформатор мог нормально работать от сети
26
220 В? Индукция в сердечнике не должна превышать 1,3 Тл. Чем в
2
U
2
U
КЗ
U
этом случае определяется сечение медного провода?
16. Почему на обмотку трансформатора с номинальным напря-
жением 220 В нельзя подавать постоянное напряжение такой же величины? Какое наибольшее напряжение постоянного тока можно подавать на такую обмотку?
17. Дайте оценку исследованному трансформатору, сравнив от-
носительные изменения вторичного напряжения
/
, коэффициент полезного действия и напряжения короткого замыкания
полученные для номинального режима, с соответствующими величи-
нами стандартных трансформаторов.
УПРАЖНЕНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков,
повышает напряжение с 220 В до 660 В. Каков коэффициент трансформации и сколько витков содержится во вторичной обмотке трансформатора? В какой обмотке провод будет иметь большую площадь
сечения?
Ответ: K = 0,33; число витков 2520; S1 > S2.
2. Понижающий трансформатор с K = 10 включен в сеть напря-
жением 127 В. Сопротивление вторичной обмотки равно 2 Ом, а сила
тока 3 А. Каково напряжение на зажимах вторичной обмотки? Поте-
,
рями энергии в первичной обмотке пренебречь.
Ответ: U2 = 6.7 В.
3. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 300 витков,
включен в сеть напряжением 220 В. Во вторичную цепь трансформатора, число витков вторичной обмотки 165, включен резистор сопротивлением 50 Ом. Найти силу тока во вторичной цепи, если падение
напряжения на ней равно 50 В.
Ответ: I2 = 1,42 А.
4. Число витков первичной обмотки трансформатора 424, а вто-
ричной — 244, действительное сечение сердечника 28,8 см2, 10%
приходится на изоляцию пластин, активное сопротивление первичной
обмотки 1,2 Ом, вторичной обмотки — 1,4 Ом, потери холостого хода
составляют 1% от номинального значения потребляемой мощности,
напряжение на первичной обмотке 220 В, активный ток обмоток
I1 = 2,95 А, I2 = 4,85 А. Определить амплитудное значение магнитной
27
индукции, ЭДС вторичной обмотки, электрические и магнитные потери, номинальный КПД.
Ответ: Вm = 0.88 Тл, E2 = 127 B, Pэл = 43.3 Вт, Р
= 6,5 Вт,
магн
η = 0,92.
5. Однофазный автотрансформатор с первичным напряжением
220 В, вторичным напряжением 127 В имеет в первичной обмотке 254
витка и при полной активной нагрузке дает потребителю ток 9 А.
Определить число витков вторичной обмотки, пренебрегая током холостого хода. Определить ток в первичной обмотке на общем участке
обмотки I2, сечение проводников S2 на общем участке обмотки, сечение проводников S1 на участке, где проходит только первичный ток,
если плотность тока 2 А/мм2.
Ответ: N2 = 147, I1 = 5,2 А, I12 = 3,8 А, S1 = 2,6 мм2, S2 = 1,9 мм2.
28
Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЕНТИЛЯХ
Целью данной работы является изучение принципа работы раз-
личных схем выпрямления в зависимости от внутреннего сопротивления вентиля, сопротивления и характера нагрузки, а также схем
умножения напряжения.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Назначение выпрямителя
Выпрямители предназначены для преобразования переменного
тока в постоянный. Основными элементами выпрямителя являются
трансформатор, электрические вентили (диоды), сглаживающий
фильтр.
Назначение трансформатора состоит в том, чтобы, во-первых,
преобразовать переменное напряжение источника питания в переменное напряжение, значение которого является оптимальным для конкретной нагрузки, и, во-вторых, для гальванической развязки входной
цепи питания от сети и цепи нагрузки, что особенно важно в высоковольтных выпрямителях и в выпрямителях с заземленной (средней)
точкой.
Электрические вентили служат для преобразования переменного
напряжения в постоянное с высоким уровнем пульсаций, определяемым числом фаз питающей цепи и выбранной схемой выпрямления.
Согласно устройству и физическим процессам, протекающим в вентилях, выпрямители, собранные на данных вентилях, можно разделить на три группы: электронные, ионные и полупроводниковые.
Сглаживающие фильтры служат для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. Различают следующие виды сгла-
29
живающих фильтров: емкостной, индуктивный, Г-образный RC-
kT
W
eATJ2
22
/20 KсмA
U
A
I
A
0
1
2
3
фильтр, резисторно-емкостной, П-образный LC-фильтр и резонансный Г-образный LC-фильтр.
Общие характеристики вентилей
Основные конструктивные элементы у электронного и ионного
вентилей одни и те же. В основе работы этих устройств лежит явление
термоэлектронной эмиссии, которое заключается в том, что металлы
при нагреве их до определенной температуры начинают испускать
электроны. Плотность тока эмитированных электронов определяется
формулой Ричардсона — Дэшмана:
, (7.1)
где А — не зависящая от рода металла постоянная, равная
;
W — работа выхода для данного металла.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) вакуумного диода представлена на рисунке 7.1. На данной ВАХ выделяют три участка. Уча-
сток 1 — UA < 0. Наличие электрического тока обусловлено наличи-
ем значительной кинетической энергии эмитированных электронов.
Участок 2 в области IA ~ U
3/2
соответствует росту тока за счет расса-
A
сывания электронного облака катода. Участок 3 характеризует об-
ласть насыщения, которое связано с тем, что все эмитированные электроны достигают анода.
Рис. 7.1. ВАХ вакуумного диода
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]