Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
цель работы: изучить устройство и принцип действия трансформатора; исследовать трансформатор в режимах холостого хода, короткого замыкания и при работе под нагрузкой; построить основные характеристики трансформатора.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Назначение и устройство трансформаторов
Трансформатор- это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.
Трансформаторы различают:
а) по назначению:
силовые - используются в системах электроснабжения;
автотрансформаторы - применяются в системах электроснабжения, для пуска мощных двигателей, для регулирования напряжения на зажимах приемников;
измерительные - используются в качестве элементов измерительных устройств;
специальные - сварочные, печные, радио и т.п.
б) по количеству фаз– однофазные и многофазные (рис. 3.1).
Рассмотрим устройство силового трансформатора. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника (магнитопровода) и обмоток (рис. 3.1). Вертикальные части сердечника, вокруг которых размещаются обмотки, называются стержнями, а горизонтальные -ярмами. На рис. 3.1 представлены различные конструкции магнитных систем трансформаторов.
а) в)
Рис. 3. 1. Магнитные системы трансформаторов:
а) стержневые (однофазные и трехфазные),
б) броневые, в) тороидальные
1 – стержень; 2 – ярмо; 3 – первичная и 4 – вторичная обмотки;
5 – тороидальный магнитопровод
Для уменьшения потерь энергий от вихревых токов сердечник набирается из отдельных, изолированных друг от друга лаковой пленкой, листов электротехнической стали (рис. 3.2, 3.3).
а) б)
Рис. 3.2
а) формы сечения стержней трансформаторов,
б) конструкция ленточных магнитопроводов.
С целью уменьшения величины воздушных зазоров он собирается «внахлестку» (шихтованием). На рис. 3.3 показана схема сборки шихтованного магнитопровода.
Рис. 3.3
Обмотки трансформатора выполняются из медного изолированного провода. Ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения (НН), ее охватывает обмотка высшего напряжения (ВН) (рис. 3.1).
На рис. 3.4 показаны основные условные графические обозначения однофазного (1, 2, 3) и трехфазного (4, 5, 6) трансформаторов.
Рис. 3.4
Обмотку, подключенную к источнику (сети), называют первичнойи все величины, относящиеся к ней, снабжают индексом 1 (U1,I1,P1и т.д.), а обмотку, к которой подключают приемники, называютвторичнойи все величины, относящиеся к ней, снабжают индексом 2 (U2,I2,P2и т.д.). Начала и концы обмоток ВН и НН обозначают соответственно буквами А-Xи а-x(рис. 3.5).
Рис. 3.5
Принцип действия трансформатора
Рассмотрим принцип действия однофазного силового трансформатора. Напряжение u1, подведенное к первичной обмотке (рис. 3.5), вызывает в ней токi1, создающий МДСw1i1, которая возбуждает переменный магнитный поток Ф0. Этот поток разделяется на два потока: основной магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу и пронизывающий витки обеих обмоток, и магнитный поток рассеяния первичной обмотки ФР1, который замыкается частично по сердечнику, частично по воздуху и сцеплен только с витками первичной обмотки. В дальнейшем потоком рассеяния ФР1 пренебрегаем в силу его небольшого значения.
Основной магнитный поток Ф индуцирует в обмотках соответственно ЭДС самоиндукции e1ЭДС индукцииe2:
,
,
где w1иw2- числа витков первичной и вторичной обмоток.
Действующие значения этих ЭДС определяются по формулам
Е1=4,44w1f Фm, Е2=4,44w2fФm,
где Фm- амплитудное (максимальное) значение основного магнитного потока.
Отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки называются коэффициентом трансформациитрансформатора и обозначается буквойk. Считая первичную обмотку обмоткой ВН а вторичную обмотку обмоткой НН, получим
.
Так как во вторичной обмотке наводится ЭДС e2, то она становится источником питания и к ней можно присоединить приемники электрической энергии. При подключении ко вторичной обмотке трансформатора нагрузки, в ней возникает токi2, создающий МДСw2i2, которая возбуждает магнитный поток Ф2, направленный навстречу магнитному потоку первичной обмотки.
Трансформатор сконструирован так, что основной поток не зависит от режима работы трансформатора и остается неизменным, т.е. при увеличении потока Ф2, поток первичной обмотки увеличивается, стремясь скомпенсировать размагничивающее действие потока вторичной обмотки, при этом возрастает токi1.
Уравнение
является уравнением магнитного состояния трансформатора, записанным для мгновенных значений МДС, гдеi1X- ток холостого хода первичной обмотки трансформатора.
В комплексной форме это уравнение имеет вид:
.
Помимо уравнения магнитного состояния можно записать уравнения электрического состояния. Согласно второму закону Кирхгофа, записанному в комплексной форме для схем замещения первичной и вторичной обмоток трансформатора (рис.3.6) имеем:
,
,
где R1,X1иR2,X2- соответственно активные и реактивные сопротивления первичной и вторичной обмоток.
Рис. 3.6
Уравнения магнитного и электрического состояния называются основными уравнениями трансформатора, так как они описывают все процессы, происходящие в нем.