2145 Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Электротехника»

Исследование работы однофазного трансформатора

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по дисциплине “Электрические машины и электропривод”

для студентов электротехнических специальностей

всех форм обучения

Составители: Л.И. Брятова

А.Е. Дубинин

М.В. Бусыгин

Самара

2008

УДК 621.313

Брятова Л.И.

Исследование работы однофазного трансформатора : методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине “Электрические машины и электропривод” для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения [Текст] / составители : Л.И. Брятова, А.Е. Дубинин, М.В. Бусыгин. – Самара : СамГУПС, 2008. – 36 с.

Утверждено на заседании кафедры «Электротехника» 29 мая2008 г, протокол № 10.

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

В методических указаниях приведены основные теоретические положения и даны подробные указания по проведению экспериментов, выполняемых при исследовании однофазного трансформатора, применяемого в промышленности и на железнодорожном транспорте.

Составители: Лариса Игнатьевна Брятова

Александр Ефимович Дубинин

Максим Владимирович Бусыгин

Рецензенты: д.т.н., профессор, заведующий кафедрой “Электротехника”

В. М. Гречишников (СГАУ);

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой “Автоматика телемеханика и связь на железнодорожном транспорте” В.Б. Гуменников (СамГУПС)

Редактор И.А. Шимина

Подписано в печать 24.06.2008. Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п. л. 2,25.

Тираж 200 экз. Заказ № 109.



Самарский государственный университет путей сообщения, 2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная лабораторная работа входит в цикл лабораторных работ по электрическим машинам (раздел “Трансформаторы”) и посвящена исследованию однофазного двухобмоточного трансформатора. Общие положения по выполнению лабораторной работы, оформлению отчета, технике безопасности не повторяются, но их соблюдение является обязательным.

В методических указаниях достаточно подробно изложен теоретический материал по указанной теме, что облегчит изучение данного курса, в частности, студентам заочной формы обучения.

Внимание! Категорически запрещается в настоящих методических указаниях делать какие-либо пометки в тексте, на рисунках и т. д., заполнять образцы таблиц (в том числе и карандашом).

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа действия, конструкции, теории рабочего процесса однофазного трансформатора, опытное определение его основных параметров и характеристик.

2. СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

2.1. Общие сведения о трансформаторах

Трансформатор - один из наиболее распространенных видов электротехнического оборудования.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной - первичной системы переменного тока в другую - вторичную той же частоты, имеющую в общем случае другие характеристики, в частности, другие напряжение и ток.

Вскроем причины, вызвавшие необходимость создания трансформаторов, и условия, позволившие решить эту задачу.

В последней четверти ХIХ века в связи с бурным развитием промышленности все более остро ощущалась необходимость в экономичной передаче больших количеств электроэнергии на дальние расстояния. Исследования показали, что наиболее эффективный путь решения этой проблемы - повышение напряжения линий электропередачи. Поэтому со всей остротой была поставлена задача конструирования высокоэкономичных трансформаторов. Возможность ее решения была обусловлена успехами научных исследований в области электротехники, огромным опытом инженерных и конструкторских разработок различных электротехнических устройств, достижениями электроизоляционной техники, металлургической промышленности.

В истории появления и развитиятрансформаторов можно выделить несколько характерных этапов.

1831 год - открытие М. Фарадеем закона электромагнитной индукции, который лежит в основе работы всех электрических машин и трансформаторов.

1870-80 годы - применение индукционной катушки с двумя электромагнитно-связанными обмотками в сети переменного тока, что привело к созданию однофазного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом. Впервые такой трансформатор применил русский электротехник П. Н. Яблочков.

В последующие годы усилиями ученых разных стран была усовершенствована конструкция трансформатора с разомкнутым магнитопроводом.

1880-90 годы - разработка промышленного типа трансформатора с замкнутым магнитопроводом. Первая конструкция трансформатора с замкнутым магнитопроводом была разработана в 1884 году в Англии братьями Гопкинсон. Промышленный тип однофазного трансформатора в нескольких модификациях (кольцевой, стержневой, броневой) был создан в 1885 году венгерскими электротехниками Дери, Блати и Циперновским. Ими же был предложен термин “трансформатор”. Большое значение для повышения надежности трансформатора имело введение в конце 80-х годов масляного охлаждения.

1889-91 годы - создание трехфазных трансформаторов. Первые промышленные образцы таких трансформаторов были сконструированы М. О. Доливо-Добровольским.

Рассмотрим принцип работы трансформатора.

М. Фарадей в 1831 г., проведя тысячи опытов, показал возможность “превращения магнетизма в электричество”, открыл закон электромагнитной индукции, который лежит в основе работы трансформатора. В этих опытах Фарадей наблюдал появление индуктированного тока во вторичной катушке с числом витков W₂ при коммутации (с помощью ключа K) первичной катушки с числом витков W₁ (рис. 1). При этом в некоторых опытах для усиления явления он использовал сердечник 1. Следует отметить, что эта установка имела все признаки трансформатора.

Рис. 1. Схема опыта Фарадея

Открытый им закон электромагнитной индукции сформулирован следующим образом: электродвижущая сила (ЭДС), наведенная в контуре магнитным потоком , пронизывающим этот контур, пропорциональна скорости его изменения. Направление наведенной ЭДС определяется законом Ленца, согласно которому ток, вызванный наведенной ЭДС при замыкании контура, стремится воспрепятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего контур.

Таким образом, значение наведенной в контуре (одном витке) ЭДС равно:

. (1)

а)	б)
Рис. 2. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы трансформатора

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 2, а). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока на напряжение U₁. К другой обмотке, называемой вторичной, подключена нагрузка (потребитель) Z_н. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток . Если весь этот поток пронизывает витки (контур) первичной и вторичной обмоток трансформатора, то по закону электромагнитной индукции он индуктирует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции -

, (2)

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции -

, (3)

где W₁ и W₂ - числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора соответственно.

При подключении нагрузки Z_н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е₂ в цепи этой обмотки возникает ток i₂, а на выводах вторичной обмотки установится напряжение, действующее значение которого равно U₂. В повышающих трансформаторах U₂  U₁, а в понижающих U₂  U₁.

Таким образом, в первичной обмотке трансформатора происходит преобразование электрической энергии, потребляемой из сети, в энергию магнитного поля, а во вторичной обмотке - преобразование энергии магнитного поля в электрическую энергию, отдаваемую, в основном, нагрузке.

Из (2) и (3) видно, что ЭДС е₁ и е₂, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков W₁ и W₂ в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор практически на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высокого напряжения (ВН или ОВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, - обмоткой низшего напряжения (НН или ОНН).

На рис. 2, б показано изображение однофазного трансформатора на принципиальных электрических схемах.

Трансформатор - это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе трансформатора через время переходного процесса установится поток, который также будет постоянным как по величине, так и по направлению , поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

Современный трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака для охлаждения и др. Магнитопровод с расположенными на его стержнях обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные его элементы называют неактивными (вспомогательными) частями.

Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т. е. он состоит из тонких (толщиной 0,10,5 мм) пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.

Магнитопровод обычно состоит из стержней, на которых располагаются обмотки, и ярм, которые замыкают магнитную цепь. На рис. 3 приведен эскиз стержневого пластинчатого магнитопровода, основные размеры которого обозначены следующим образом: a_с - ширина сердечника; h_я - высота ярма; b - ширина окна (в нем размещаются обмотки трансформатора); b_с - толщина стержня (пакета); H - высота окна.

Гост предусматривает стандартные обозначения начал и концов обмоток. В однофазных трансформаторах они обозначаются буквами А, Х у обмоток высшего напряжения; а, х - у обмоток низшего напряжения. В трехфазных трансформаторах начала и концы фазных обмоток высшего напряжения соответственно обозначают A, B, C и X, Y, Z, а для обмоток низшего напряжения - a, b, c и x, y, z.

Рис. 3. Эскиз магнитопровода

Паспортной (или номинальной) мощностью трансформатора называется такая мощность, при которой потери мощности в стали и меди трансформатора обуславливают его нагрев до температуры, допустимой для данного класса изоляции обмоток. Номинальная мощность трансформатора S_н определяется в виде кажущейся мощности, а не активной. Это связано с тем, что потери, а следовательно, и нагрев обмоток и магнитопровода определяются соответственно значениями токов обмоток и приложенного напряжения и не зависят от характера нагрузки. За номинальную мощность трансформатора принимается мощность на зажимах вторичной обмотки. Она указывается на заводском щитке (приводится в паспортных данных) и выражается в киловольтамперах (кВА).

Номинальная полная мощность для однофазного трансформатора S_н = U_1нI_1н, где U_1н, I_1н - номинальные значения напряжения и тока соответственно.

Номинальными напряжениями трансформатора являются напряжения при холостом ходе на первичной и вторичной обмотках трансформатора. За номинальные токи первичной и вторичной обмоток принимаются токи, рассчитанные по номинальной мощности при номинальных первичных и вторичных напряжениях.

Остановимся на некоторых вопросах классификации трансформаторов. В зависимости от назначения различают трансформаторы:

• силовые мощные для передачи и распределения электроэнергии (выпускаются промышленностью на мощности свыше миллиона кВА);

• силовые маломощные, применяемые для питания автономной нагрузки (мощностью до 1000 ВА);

• силовые специального назначения (печные, сварочные, тяговые и др.);

• измерительные для измерения тока и напряжения - для включения в схемы измерительных приборов;

• испытательные - для производства испытаний под высоким и сверхвысоким напряжением;

• радиотрансформаторы, применяемые в радиотехнике;

• автотрансформаторы - для преобразования напряжений в относительно ограниченных пределах для связи энергосистем различных напряжений, для пуска в ход двигателей переменного тока и т. д.

По количеству обмоток различают двух- и многообмоточные трансформаторы; по роду тока - однофазные, трехфазные и многофазные.

По конструкции магнитопровода трансформаторы делятся на три основных типа: броневые (рис. 4, а); стрежневые (рис. 4, б); тороидальные или кольцевые (рис. 4, в).

а)	б)	в)
Рис. 4. Конструкции магнитопроводов: а - броневой; б - стержневой; в - тороидальный

Несмотря на большое разнообразие типов трансформаторов, основные процессы, определяющие их работу, и приемы изучения происходящих в трансформаторе явлений по существу одни и те же. Поэтому, говоря о трансформаторе, будем в дальнейшем иметь в виду его основной тип, а именно, одно- и трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор. Описание трехобмоточных трансформаторов и других типов трансформаторов специального назначения приведено в 1.