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 cos₂ =1

cos₂ = 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