Лабораторная работа 46

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Задачи работы

1. Изучение различных режимов работы трансформатора.

2. Расчёт величины параметров, характеризующих трансформатор.

Физическое обоснование эксперимента

Цель работы: изучить в различных режимах работу однофазного трансформатора и рассчитать величины характеризующих трансформатор параметров.

Прежде чем приступить к выполнению работы, необходимо ознакомиться с введениями по темам «Переменный электрический ток», «Мощность переменного тока».

Трансформатором называется устройство, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции: при изменении потока магнитной индукции Φ, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в нём возникает электрический ток. Направлен этот ток, называемый индукционным, всегда так, чтобы максимально противодействовать вызывающей его причине. ЭДС индукции определяется уравнением Фарадея–Ленца:

.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника (магнитопровода), на который намотаны две (или более) обмотки (Рис. 46.1). Обмотки эти электрически изолированы друг от друга. Сердечник собирается из отдельных листов трансформаторной стали с малой коэрцитивной силой, разделённых изолирующими слоями лака, бумаги или пластика. Применение наборных сердечников уменьшает величину индукционных (вихревых) токов, возникающих в них, что увеличивает КПД трансформатора.

Рис. 46.1.

Первичной называется обмотка трансформатора, соединённая с внешним источником переменного напряжения. Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке - число витков n₁, напряжение U₁, сила тока I₁, мощность Р₁ и т.д. Обмотка, с которой снимается электроэнергия, и, соответственно, относящиеся к ней величины называются вторичными - n₂, U₂, I₂, Р₂, R₂, X_L2, Z₂.

Ток I₁ в первичной обмотке трансформатора возникает под действием первичного синусоидального напряжения U₁. Этот ток порождает в магнитопроводе переменный магнитный поток: Φ = Φ_msint. Этот поток, пронизывая обе обмотками трансформатора, индуцирует в них ЭДС, мгновенные значения которых будут по закону Фарадея-Ленца равны:

e1 = -n1· = -·n1·Φm·cost = Em1·sin(t - /2),	46.1
e2 = -n2· = -·n2·Φm·cost = Em2·sin(t - /2)	46.2

Из формул видно, что ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках отстаёт по фазе от магнитного потока. Отношение мгновенных, амплитудных и действующих значений этих ЭДС равно отношению чисел витков обмоток трансформатора:

46.3

Отношение K называется коэффициентом трансформации. Это важнейшая характеристика трансформатора. Если устройство трансформатора таково, что K  1 (то есть вторичное напряжение U₂ больше первичного U₁), то трансформатор называется повышающим, если K  1 (то есть U₂  U₁), то - понижающим.

Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора называют отношение мощности, выделяемой на нагрузке, к мощности, потребляемой первичной обмоткой от сети:

.

46.4

При номинальной (то есть той, на которую он рассчитан) нагрузке мощного трансформатора его КПД очень высок - до 95%. Он существенно понижается лишь при малых нагрузках или у маломощных трансформаторов.

Рассмотрим работу трансформатора с точки зрения закона сохранения энергии. Из мощности Р₁, подведённой к первичной обмотке, часть Р_пр1 расходуется на нагревание проводов первичной обмотки, а часть Р_с затрачивается в сердечнике на потери от перемагничивания (гистерезиса) и вихревых токов. Остальная мощность передается во вторичную обмотку:

Р₁₂ = Р₁ - Р_пр1 - Р_с.

Во вторичной обмотке часть мощности Р_пр2 теряется на нагревание проводов, а оставшаяся Р₂ передается во вторичную цепь:

Р₂ = Р₁₂ - Р_пр2 = Р₁ - Р_пр1 - Р_с - Р_пр2.

В реальных трансформаторах часть магнитного потока замыкается вне магнитопровода, образуя потоки рассеяния. Однако в современных трансформаторах эти потоки малы по сравнению с основным потоком в магнитопроводе, в результате чего потери передаваемой мощности минимальны.

Напряжения, токи и ЭДС в обмотках (без учёта ЭДС, наводимых потоками рассеяния) связаны соотношениями:

u₁ + e₁ = i₁r₁

u₂ + i₂r₂ = e₂.

Если напряжение u₁, приложенное к первичной обмотке синусоидальное, то магнитный поток Φ и ЭДС e₁ и e₂ будут также синусоидальными, поэтому при анализе работы трансформатора удобно рассматривать действующие значения ЭДС Е₁ и Е₂, напряжений U₁ и U₂ и токов I₁ и I₂. Омические сопротивления обмоток обычно малы и ими в ряде случаев можно пренебречь.

Основные характеристики трансформатора и его параметры могут быть изучены в опытах холостого хода трансформатора, в опытах его рабочего режима и в опытах короткого замыкания.

Режим холостого хода

Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, когда к зажимам первичной обмотки подводится переменное напряжение, а цепь вторичной обмотки разомкнута.

В режиме холостого хода ток в первичной обмотке I₁^хол очень мал и сопротивление первичной обмотки у трансформаторов обычно тоже мало. Следовательно падение напряжения на первичной обмотке при холостом ходе пренебрежимо мало, то есть можно считать, что U₁ = е₁. Во вторичной обмотке в режиме холостого хода напряжение в точности равно ЭДС (U₂^хол = е₂), так как обмотка разомкнута.. Эти факты позволяют определять в режиме холостого хода коэффициент трансформации.

.

46.5

Мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, затрачивается на потери в стальном сердечнике (на его перемагничивание и на вихревые токи Фуко в нем) и на нагревание (джоулевы потери) одной лишь первичной обмотки (I₁^хол )²r₁, где r₁ - омическое сопротивление первичной обмотки. Однако в этом режиме потери на джоулево нагревание обмотки ничтожны по сравнению с потерями в стали (исключение составляют лишь трансформаторы малой мощности). Следовательно, вся мощность холостого хода трансформатора практически затрачивается лишь на потери в стали, и, поэтому, опыт холостого хода позволяет определить потери в стали трансформатора.

Рабочий режим

В рабочем режиме трансформатора во вторичную обмотку включается омическая нагрузка. Во вторичной цепи трансформатора ЭДС индукции Е₂ играет роль источника энергии. Она создаёт ток I₂, который порождает в сердечнике вторичный магнитный поток. Согласно правилу Ленца, этот поток направлен противоположно основному потоку, индуцирующему ЭДС Е₂, стремясь его уменьшить. А это, опять же по правилу Ленца, приводит к увеличению первичного тока при том же самом напряжении в первичной цепи настолько, чтобы восстановить первоначальный магнитный поток, при котором существует равновесие в первичной цепи между напряжением U₁ и наведенной ЭДС Е₁ (U₁  Е₁).

Таким образом, всякое изменение силы тока во вторичной обмотке трансформатора вызывает соответствующее изменение силы тока в первичной, но практически не влияет на амплитуду основного магнитного потока Φ. Следовательно, пока не изменяется первичное напряжение U₁ трансформатора, остаётся неизменным и его основной магнитный поток Φ, что характерно для рабочего режима трансформатора. Изменением сопротивления нагрузки можно изменять ток во вторичной обмотке, и, тем самым, при постоянном напряжении U₁ варьировать мощность, выделяющуюся во вторичной обмотке (отбираемую от трансформатора потребителем).

Электрическая мощность, подаваемая в первичную цепь трансформатора и измеряемая ваттметром, включенным в эту цепь, равна:

P1 = I1·U1·cos1.

46.6

Измерив напряжение и ток в первичной обмотке, можно определить коэффициент мощности (см. Введение) первичной цепи:

.

46.7

Аналогичные измерения, проведённые для вторичной обмотки, дают:

P2 = I2·U2·cos2,	46.8
.	46.9

КПД трансформатора будет выражаться формулой:

.

КПД в зависимости от отбираемой из вторичной цепи мощности будет изменяться. График этой зависимости  = f (I₂), как показывает теория, обладает максимумом. КПД трансформатора достигает максимума в тот момент, когда потери в стальном сердечнике трансформатора равны джоулевым потерям в обмотках.