ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5
«Исследование однофазных трансформаторов»
1. Цель работы:
1. Ознакомление с методикой построения схем и моделирования работы устройств в компьютерной лаборатории электротехники и электроники.
2. Исследование работы однофазного трансформатора.
2. Краткие теоретические сведения.
2.1. Принцип действия.
Трансформатором называется электромагнитный аппарат который предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты.
Трансформатор состоит из замкнутого магнитного сердечника и по крайней мере из двух изолированных обмоток (Рис.1):
-одна соединенная с источником электрической энергии, называемая первичная (число витков N1);
-другая соединенная с нагрузкой и называемая вторичная (число витков N2).
Рис.1
На этом рисунке обозначены следующие величины:
Первичные Вторичные
- число витков;
- напряжение;
- ток;
- электродвижущая сила.
Для изучения принципа действия трансформатора представим себе идеальный трансформатор - трансформатор у которого активные сопротивления обмоток равны нулю, магнитный поток рассеяния отсутствует и идеальный магнитный сердечник, без потерь.
В этом случае можно представить принцип действия трансформатора как логическая последовательность действий и явлений:
1) Напряжение приложено к первичной обмотке. Если выключатель В1 замкнут, то по цепи течет ток .
2) Намагничивающая сила создает рабочий магнитный поток .
3) Этот поток индуцирует в первичной и во вторичной обмотках э.д.с. и . В результате на выходе трансформатора возникает вторичное напряжение .
4) Когда выключатель В2 замкнут по вторичной цепи течет ток и намагничивающая сила размагничивает трансформатор. Как следствие уменьшается магнитный поток и э.д.с. и . Однако приложенное напряжение остается постоянным и тогда ток увеличивается, заставляя возрастать магнитный поток до его первоначального значения.
Вывод:
Рабочий магнитный поток трансформатора остается постоянным, независимым от характера и величины нагрузки.
2.2. Коэффициент трансформации.
Отношение к называется коэффициентом трансформации:
.
Для идеального трансформатора имеем
.
Выведем формулу отношения первичного и вторичного токов, используя формулы для активной мощности
e .
Пренебрегая потерями в трансформаторе и считая, что , получим ,
откуда .
Когда напряжение уменьшается к k раз, ток увеличивается в k раз и наоборот.
Если k>1, получаем понижающий трансформатор.
Если k<1, получаем повышающий трансформатор.
Если k=1, получаем разделительный трансформатор.
2.3. Основные уравнения трансформатора и схема замещения.
Согласно II закону Кирхгофа и схеме реального трансформатора (Рис.6.1) получим уравнения электрического состояния первичной и вторичной обмоток:
.
Уравнение магнитного состояния показывает, что намагничивающие силы без нагрузки и с нагрузкой одинаковы:
Окончательно в комплексном виде получим три основных уравнения трансформатора со вторичными параметрами приведенными к первичным:
.
где: ;; ; .
Согласно основным уравнениям возможно смоделировать полную эквивалентную схему трансформатора ( Т- образная схема, Рис.2).
Рис.2
Для определения параметров трансформатора и его схемы замещения используются два опыта: опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.
2.4. Опыт холостого хода трансформатора (Рис.3).
Рис.3
Описание опыта холостого хода:
Для проведения этого опыта прикладываем к первичной обмотке номинальное напряжение и измеряем потребляемую мощность , ток холостого хода и вторичное напряжение . В этом случае вторичный ток равен нулю, ток соответствует току намагничивания, достигающему 4-10% от номинального значения , и мощность соответствует потерям холостого хода.
Чтобы определить коэффициент трансформации используем известную формулу:
.
Так как приложенное напряжение равно номинальному , а ток величина не значительная по сравнению с номинальной, то можно рассматривать мощность как потери в стали сердечника (магнитные потери).
Зная измеренные величины, можно рассчитать параметры схемы замещения: - коэффициент мощности ;
- полное сопротивление холостого хода ;
- активное сопротивление холостого хода ;
- реактивное сопротивление холостого хода .
2.5. Опыт короткого замыкания (Рис.4).
В этом опыте увеличиваем первичное напряжение до тех пор, как первичный ток станет равным номинальному .
Вторичный ток также равен номинальному , а мощность соответствует потерям в меди обмоток (электрические потери).
Легко определяем коэффициент трансформации: .
Рис.4
Исходя из измеренных величин, рассчитаем параметры схемы замещения: - коэффициент мощности ;
- полное сопротивление короткого замыкания ;
- активное сопротивление короткого замыкания равно сумме сопротивлений двух обмоток ;
-реактивное сопротивление короткого замыкания равно сумме реактивных сопротивлений двух обмоток .
2.6. Нагрузка трансформатора (Рис.5).
При нагрузке можно определить изменение вторичного напряжения и коэффициент полезного действия трансформатора.
Рис.5
Изменение вторичного напряжения и внешняя характеристика
Разность , выраженная в процентах к напряжению называется
изменением вторичного напряжения
.
Внешняя характеристика трансформатора - это зависимость вторичного напряжения от нагрузки (Рис.6) с учётом коэффициента мощности.
U2
U20 cos2 =1
cos2 = 0.8
1.0 2.0 3.0
Рис.6
Коэффициент полезного действия
Трансформатор - это электрическая машина с очень высоким к.п.д., порядка 90%.
Как известно к.п.д. определяется отношением полезной мощности к мощности потребляемой, т.е. вторичной к первичной. Выражение для к.п.д. в процентах может быть представлено как
.
Выразим магнитные и электрические потери через параметры холостого хода и короткого замыкания
и ,
подставим значение коэффициента нагрузки и получим окончательную формулу для к.п.д.
Из этой формулы видно, что к.п.д. растет до определенного значения, а потом падает, т.е. имеет место максимальное значение при оптимальном значении коэффициента нагрузки
.
Кривая на графике (Рис.7) представляет зависимость к.п.д. от нагрузки.
Рис.7