6. Исследование однофазного и трехфазного трансформатора

Цель работы:ознакомление с конструкцией однофазного и трехфазного трансформаторов, исследование режимов холостого хода, короткого замыкания и нагрузочного, расчет параметров однофазного трансформатора по опытным данным, ознакомление с различными группами соединения обмоток трехфазного трансформатора.

6. Краткие Теоретические сведения

Трансформаторомназывается статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одной величины напряжения в электрическую энергию другого напряжения при неизменной частоте.

1. Однофазный трансформатор

В однофазных цепях для трансформирования напряжения используются однофазные трансформаторы, в трехфазных цепях, как правило, используются трехфазные трансформаторы, которые представляют собой совокупность трех однофазных трансформаторов, расположенных на одном трехстержневом магнитопроводе.

Однофазный трансформатор представлен на рис.1.

На замкнутом магнитопроводе, набранном из пластин специальной электротехнической стали, расположены две обмотки (W1 и W2). К первичной обмотке с числом витков N1 подводится энергия от источника питания. Ко второй обмотке с числом витков N2 подключается нагрузка. Энергия из первичной обмотки во вторичную передается посредством основного магнитного потока Ф, величина которого пропорциональна приложенному к трансформатору напряжению U1, т.к.

Отношение ЭДС первичной обмотки Е1 к ЭДС вторичной обмотки Е2 называется коэффициентом трансформации:

;

при условии, что N₁>N₂. В схеме замещения трансформатора (рис.2) электромагнитная связь обмоток заменена электрической; сопротивленияZ₁иZ₂заменяют первичную и вторичную обмотки трансформатора, аZ₁₂магнитную связь между контурами. Параметры схемы замещенияR₁,Х₁,R₂,Х₂,R₁₂,Х₁₂могут быть определены с помощью опытов холостого хода и короткого замыкания, проводимых на реальном трансформаторе.

Опыт холостого хода проводится при номинальном напряжении U₁₀=U_1нна зажимах первичной обмотки и при разомкнутой цепи вторичной обмоткиI₂=0,U₂=U_2н. Электрическая схема и схема замещения трансформатора в этом режиме представлена нарис.3.В опыте измеряется мощностьР_о, потребляемая трансформатором из сети, ток первичной обмоткиI₁₀и напряжение на вторичной обмоткеU_2н. ТокI₁₀очень мал и составляет (2-10)% от номинального тока. Коэффициент трансформации определяется по отношению показаний вольтметров, подсоединенных к обмоткам:

;

Мощность Р_озатрачивается в основном на потери в стали магнитопровода ‑Р_ст(на вихревые токи и гистерезис), т.е.Р_о= ‑Р_ст, а потери в обмоткахв этом режиме пренебрежимо малы. По данным опыта можно определитьпараметры ветви намагничивания:

; ;

Опыт короткого замыкания проводится при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора и таком пониженном напряжении на зажимах первичной обмотки, называемом "напряжением короткого замыкания" составляющем (5,5-10)% от номинального, при котором ток во вторичной обмотке принимает номинальное значение I_2к=I_2н. В опыте измеряются напряжение на первичной обмоткеU_1к, ток в обеих обмоткахI_1к,I_2ки потребляемая из сети мощностьР_к. Электрическая схема и схема замещения для режима короткого замыкания представлены нарис.4. СопротивлениеZ_к=R_к+jХ_кназываетсясопротивлением короткого замыкания. Мощность в этом опыте расходуется на потери в обмотках, т.е.Р_к=Р_м=R₁*I_1к+R₂*I₂=R_кI_1к. Данные опыта позволяют определитьпараметры схемы короткого замыканияпо формулам:

; ; ;

; ;

Нагрузочный режим является основным рабочим режимом трансформатора (рис.5). В этом режиме на первичную обмотку подается номинальное напряжение, а ко вторичной обмотке подключается нагрузка. ЗависимостьU₂=f(I₂) приU₁=соnst называетсявнешней характеристикой трансформатора. При увеличении нагрузки, т.е. величины токаI₂, напряжениеU₂падает в силу увеличения падения напряжения во вторичной обмотке трансформатора (при₂> 0). Отношение полезной мощностиР₂к потребляемой мощностиР₁называетсякоэффициентом полезного действия(КПД)=Р₂/Р₁. Потери мощности складываются из потерь в обмотках и потерь в магнитопроводеР=Р_ст+Р_м. КПД имеет максимум, когдаР_ст=Р_м.