4.1. Подготовка к работе

4.1.1. Изучить теоретическую часть работы (см. п. 2 настоящих указаний).

4.1.2. По описанию (п. 3) ознакомиться с устройством и принципиальной электрической схемой стенда.

4.1.3. Ознакомиться с устройством испытуемого трансформатора, записать его паспортные данные (приведены в верхнем левом углу лицевой панели стенда).

4.1.4. Заготовить таблицы 1,2,3 (см. п. 4.2.).

4.2. Экспериментальная часть работы

4.2.1. Вычертить эскиз магнитной цепи испытуемого трансформатора, замерить с помощью линейки и указать на эскизе основные размеры (рис. 3). Рассчитать по измеренным данным площадь поперечного сечения стержня Q_c=a_cb_c (см²). Сосчитать количество витков дополнительной обмотки W_доп. Результат расчета Q_c и W_доп занести в табл.1.

4.2.2. Определить числа витков обмоток, коэффициент трансформации К и магнитную индукцию в стержне В_с.

Для этого необходимо собрать схему по рис. 21. К клеммам “U”, “I”, “*” лицевой панели стенда (рис.20) присоединить с помощью проводов переносной ваттметр PW (получить у преподавателя). Клеммы “~” стенда присоединить проводами к клеммам “Регулируемое напряжение ~ 0220 В“ лабораторного стола №3. Переключатель П1 установить в положение 300 В. Выключатель В1 должен быть в отключенном положении, вторичная обмотка замкнута на вольтметр PV2 (см. рис.20,21).

Включить автомат F1 и подать на первичную обмотку трансформатора вращением движка ЛАТРа по часовой стрелке номинальное напряжение U_1н = 220 В.

Данные измерений занести в графу «ИЗМЕРЕНО» табл.1.Снять напряжение со схемы вращением движка ЛАТРа против часовой стрелки и отключить автомат F1.

Таблица 1

Определение К, числа витков обмоток и магнитной индукции В_с

ИЗМЕРЕНО				ВЫЧИСЛЕНО
U1н	U20	Uд0	Wдоп	W1	W2	K	E1	E2		BC
В	В	В	витк.	витк.	витк.		В	В	см2	Тл

Расчетные данные таблицы 1 вычисляются по формулам:

W₁=W_доп— число витков первичной обмотки;

W₂=W_доп— число витков вторичной обмотки;

K=— коэффициент трансформации;

B = —амплитудное значение магнитной индукции в стержне.

Табл. 1 с полученными результатами показать преподавателю.

4.2.3. Провести опыт холостого хода трансформатора, по данным которого построить характеристики хода, т.е. зависимости тока холостого хода I₀, мощности холостого хода P₀ и коэффициента мощности холостого хода cosφ₀ от первичного напряжения U₁; рассчитать параметры намагничивающей ветви и нанести их на электрическую схему замещения трансформатора.

Режим холостого хода трансформатора – это режим при разомкнутой вторичной обмотке, когда ток I₂ = 0 (см. п. 2.7.). Опыт холостого хода проводят по схеме, представленной на рис. 15. Для снятия и последующего построения характеристик холостого хода напряжение к первичной обмотке трансформатора подводят через однофазный регулятор напряжения (в данном случае автотрансформатор), позволяющий плавно повышать напряжение от 0 до 1,25 U_1н (на схеме рис. 15 не показан).

Предварительно следует рассчитать значения напряжений U₁, подаваемых в опыте на первичную обмотку трансформатора. Они должны изменяться от 0,25U_1н до 1,25U_1н через 0,25U_1н (за номинальное принять напряжение 220 В, если другое значение не оговорено преподавателем). Рассчитанные пять значений U₁ занести в графу «ИЗМЕРЕНО» табл. 2 и показать преподавателю.

Переключатель П1 должен быть установлен в положение “300В”, вторичная обмотка трансформатора W₂ – замкнута на вольтметр PV2 (выключатель В1 выключен, см. рис. 20, 21).

Включить автомат F1, вращением движка ЛАТРа по часовой стрелке устанавливать на первичной обмотке W₁ рассчитанные выше значения напряжений U₁, при которых снимать показания приборов и заносить их в графу «ИЗМЕРЕНО» табл. 2.

В конце опыта снять напряжение со схемы вращением движка ЛАТРа против часовой стрелки до упора и отключить автомат F1.

Таблица 2

Опыт холостого хода

№ № п. п.	ИЗМЕРЕНО				ВЫЧИСЛЕНО
	U1	U2		P0	сosφ0	rм	xм	Zм
	В	В	А	Вт		Ом	Ом	Ом	А

Расчетные значения Z_м, r_м, x_м, cosφ₀ табл. 2 вычислить по формулам (34), (35), (36), (37) соответственно.

Номинальное значение тока первичной обмотки рассчитывается по формуле .

Составить электрическую схему замещения трансформатора (рис.10) и нанести на неё параметры намагничивающей ветви Z_м, r_м, x_м, рассчитанные при номинальном напряжении .

По результатам опыта на общей координатной плоскости построить характеристики холостого хода , P₀, cosφ₀ = f (U₁), примерный вид которых показан на рис. 22. Обратить внимание на вид этих характеристик, который обусловлен состоянием насыщения магнитопровода. Состояние насыщения магнитопровода наступает при таком значении напряжения U₁ (его следует отметить на графике), когда ток I₁₀ и мощность P₀ холостого хода резко возрастают по линейному закону.

4.2.4. Провести опыт короткого замыкания трансформатора, по данным которого построить характеристики короткого замыкания, т.е. зависимости тока короткого замыкания I_1к, мощности короткого замыкания Р_К, коэффициента мощности cos_К от напряжения короткого замыкания U_К; рассчитать параметры обмоток трансформатора и нанести их на электрическую схему замещения трансформатора; рассчитать номинальное напряжение короткого замыкания и установившееся значение эксплуатационного тока короткого замыкания.

Рис. 22. Характеристики холостого хода

Режим короткого замыкания – это режим при замкнутой накоротко вторичной обмотке, когда U₂ = 0 (см. п. 2.7), а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение, постепенно повышая его до некоторого значения U_кн, при котором токи в обмотках трансформатора становятся равными номинальным значениям.

Предварительно перед проведением опыта следует рассчитать значения токов I_1к, устанавливаемых в опыте на первичной обмотке трансформатора. Они должны изменяться от 0,25I_1н до 1,25I_1н через 0,25I_1н (значение I_1н взять из табл. 2). Рассчитанные пять значений I₁ занести в графу «ИЗМЕРЕНО» табл. 3 и показать преподавателю.

При проведении опыта короткого замыкания следует соблюдать осторожность!

До подачи напряжения в схему убедиться, что движок автотрансформатора находится на нуле (крайнее левое положение). Переключатель П1 перевести в положение «30 В», вторичную обмотку трансформатора W₂ замкнуть на амперметр РА2 включением выключателя В1(см. рис. 20 и 21).

Включить автомат F1, осторожным повышением напряжения (вращением движка ЛАТРа по часовой стрелке) устанавливать по показаниям амперметра РА1 рассчитанные значения токов I_1к в первичной обмотке трансформатора, снимая при этом показания других приборов, и заносить их в графу «ИЗМЕРЕНО» табл. 3.

В конце опыта снять напряжение со схемы, отключить выключатель В1 и автомат F1. Табл. 3 показать преподавателю.

Таблица 3

Опыт короткого замыкания

№ № п. п.	ИЗМЕРЕНО				ВЫЧИСЛЕНО
	I1к	I2к	Uк	Pк	сosφк	rк	r1	r'2	xк	Zк
	A	A	B	Вт		Ом	Ом	Ом	Ом	Ом

Расчетные значения Z_к, r_к, x_к, cosφ_к, (r₁ , r'₂ , x₁, х'₂ , Z₁, Z'₂) вычислить по формулам (39), (40), (41), (42), (43) соответственно. Значения этих величин, рассчитанные при номинальном токе первичной обмотки I_1к = I_1н, нанести на составленную выше электрическую схему замещения трансформатора (рис. 10).

Номинальное напряжение короткого замыкания, при котором токи в обмотках в данном опыте равны номинальным, вычислить в процентах от номинального напряжения первичной обмотки в соответствии с выражением (38).

По результатам опыта на общей координатной плоскости построить характеристики короткого замыкания I_1к, P_к, cosφ_к = f (U₁), примерный вид которых показан на рис. 23.

Рис.23. Характеристики короткого замыкания

Вычислить по формуле (44) эксплуатационный ток короткого замыкания и сравнить его с номинальным током.

4.2.5. Рассчитать и построить график зависимости КПД от нагрузки, η = f () (см. п. 2.9).

Для расчета необходимо задаться рядом значений коэффициента нагрузки (принять равным 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,25) и для каждого значения вычислить КПД по формуле (54). Принять cosφ₂ равным 0,8, если преподавателем не оговорено другое значение коэффициента мощности нагрузки.

При расчете КПД в формулу (54) следует подставлять значения мощности холостого хода P₀ из табл. 2, полученное при номинальном напряжении U_1н, и мощности короткого замыкания P_к из табл.3, полученное при номинальном токе I_1н.

По результатам расчетов построить график зависимости η = f (), примерный вид которого представлен на рис. 19.

По формуле (56) рассчитать нагрузку, при которой КПД имеет максимальное значение, а затем по формуле (54) – максимальное значение КПД и указать его на рис. 19.

4.2.6. Рассчитать и построить график внешней характеристики трансформатора, т.е. зависимости U₂ = f (I₂) при U₁=U_1н =220 В и cosφ₂ = 0,8 (см. п. 2.8).

Для построения графика внешней характеристики необходимо рассчитать изменения вторичного напряжения U₂ при коэффициентах нагрузки γ = 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,25 по формуле (49), а затем вторичного напряжения U₂ по соотношению (50). В расчетах использовать параметры электрической схемы замещения трансформатора r_к, x_к, вычисленные по результатам опыта короткого замыкания (табл. 3) при токе в первичной обмотке I_1к = I_1н.

4.2.7. Построить векторную диаграмму рабочего режима трансформатора.

Для построения векторной диаграммы необходимо задаться вторичным напряжением U₂, значением и коэффициентом мощности нагрузки (I₂, cosφ₂). Принять U₂=U_2н=36 В; I'₂=1,13 А. Значение cosφ₂ задает преподаватель.

Векторная диаграмма рабочего режима трансформатора при активно-ндуктивной нагрузке представлена на рис. 12, а порядок ее построения описан в теоретической части (п. 2.5). Однако в данной работе предлагается строить векторную диаграмму в другой последовательности, когда по известным U₂, I₂, cosφ₂ и определяютU′₂, I′₂, а затем строят векторы этих величин под фазовым углом φ₂ друг к другу (рис. 24).

В качестве исходного принять вектор приведенного вторичного напряжения

,

который отложить в выбранном масштабе напряжений по вертикали вниз (рекомендуемый масштаб: напряжений – 30 В в 1 см; токов – 0,1 А в 1 см).

Далее отложить в выбранном масштабе токов под угломφ₂ к вектору , учитывая, что нагрузка активно-индуктивная.

Вектор ЭДС получить геометрическим сложением вектора напряженияс векторами падения напряжения в активном r′₂ и индуктивном x′_s2 сопротивлениях вторичной обмотки [из уравнения (29)]:

.

Построить в выбранном масштабе потокосцеплений вектор магнитного потока сердечника , опережающийна угол, и вектор –.

Отложить вектор тока холостого хода под угломφ₀ (φ₀= arccos φ₀) к вектору ЭДС (взять значение ,cos φ₀ из табл. 2 при В).

Вектор тока первичной обмотки определить из уравнения токов. Для этого вектор –провести из конца векторапротивоположно вектору. Затем графически получить вектор первичного напряжениягеометрическим сложением вектора ЭДС –в первичной обмотке с векторами падения напряжения в активном r₁ и индуктивном x′_s1 сопротивлениях первичной обмотки [из уравнения (28)]:

.

4.2.8. Сделать выводы по результатам работы.

Рис. 24. Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной нагрузке

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое трансформатор?

2. Что такое режим холостого хода трансформатора?

3. Почему в режиме холостого хода сosφ₀ уменьшается с ростом первичного напряжения?

4. Чем объяснить, что х_м>>x_k?

5. Как изменится индукция магнитного поля в сердечнике трансформатора, если уменьшить число витков W₁?

6. Что такое режим короткого замыкания трансформатора?

7. Объясните, почему сosφ_к практически не зависит от значения приложенного напряжения?

8. Какие параметры схемы замещения будет иметь испытанный трансформатор, если первичную обмотку сделать вторичной, а вторичную первичной?

9. Как изменятся параметры схемы замещения трансформатора, если его медные обмотки заменить алюминиевыми с тем же сечением и числом витков?

10. Постройте векторные диаграммы трансформатора в режимах холостого хода и короткого замыкания.

11. Составьте схемы замещения трансформатора для режимов холостого хода и короткого замыкания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Копылов И.П. Электрические машины : учебн. для вузов. – 2-е изд., перераб. – М. : ВШ, Логос, 2000. – 607 с.

2. Кацман М.М. Электрические машины : учебн. для студентов средн. проф. учебных заведений. – 3-е изд., испр. – М. : ВШ, 2000. – 463 с.: ил.

3. Брятова Л.И. Исследование работы однофазного трансформатора : методические указания к выполнению лабораторной работы №8 по дисциплине «Электрические машины и электропривод» для студентов всех форм обучения электротехнических специальностей. – Самара : СамГАПС, 2002 – 60 с.

37