методические указания для лабораторных работ / ИCПЫТАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Ц е л ь р а б о т ы: экспериментально получить основные параметр2ы и характеристики испытуемого трансформатора , схемы его замещения;

изучить влияние активной, индуктивной и ѐмкостной нагрузок на параметры первичной обмотки и внешние характеристики трансформатора.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Трансформатор – электромагнитный аппарат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Трансформатор (Рис.1)состоит из двух и более обмоток (1,2), размещенных на замкнутом ферромагнитном сердечнике

(3)(магнитопроводе). Одна из обмоток, присоединяемая к сети переменного тока, называется первичной, другая, к которой подключается нагрузка – вторичной. Основными техническими данными однофазного трансформатора являются:

1. Номинальная полная мощность, SH (Ва ; кВа) В трансформаторе SH = U1H I1H = U2H I2H.

2. Номинальные напряжения обмоток U1H ; U2H (В)

Следует помнить, что за номинальное напряжение вторичной обмотки принимается напряжение на еѐ зажимах при холостом ходе U2H = U20.

3.Номинальные токи обмоток I1H ; I2H. Если их значения не указаны на щитке, то их определяют из формулы полной мощности SH.

4.Напряжение короткого замыкания Uк %.

2

электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями мощности на нагрев стали магнитопровода pст (явления гистерезиса и вихревых токов) и нагрев обмоток pэ (Вт), при протекании по ним тока.

Таким образом p = pст + pЭ , где pЭ = I12 r1 + I22 r2.

Потери в стали называют постоянными потерями, так как они не зависят от величины нагрузки, а зависят от магнитного потока m , который при постоянстве частоты f и U1 питающей сети остаѐтся практически неизменным. Потери мощности в обмотках (их называют ещѐ потерями в меди или электрическими потерями) пропорциональные квадрату тока,

зависят от нагрузки, их называют переменными.

Для определения величины потерь мощности и ряда других параметров проводят опыты холостого хода и короткого замыкания.

В опыте холостого хода к первичной обмотке подводится номинальное напряжение U1 = U1H ; вторичная обмотка разомкнута, т.е. I2 = 0, а

напряжение на еѐ зажимах U20 = E2 = U2H. По первичной обмотке протекает ток холостого хода небольшой величины.

Поэтому при холостом ходе электрические потери мощности в обмотках

pЭ = I12 r1 + I22 r2 = I102 r1 пренебрежительно малы и можно считать, что показания ваттметра в этом опыте определяют только мощности потерь в стали P = pст. Коэффициент мощности трансформатора, работающего в режиме холостого хода определяется по формуле:

cos 10 = P0

UI 10

По данным опыта холостого хода определяют параметры ветви намагничивания “Т” образной или “Г” образной схем замещения

(рис. 2). Полное, активное и индуктивное сопротивления схемы замещения в режиме холостого хода соответственно:

3

x = x0.

Опыт холостого хода позволяет с достаточно высокой точностью

U1

Рис. 2

Опыт короткого замыкания проводится с целью определения напряжения короткого замыкания Uк (В) электрических потерь мощности в обмотках трансформатора и параметров схемы замещения xк ; rк ; r1; x1; r2’ и x2’. При выполнении работы следует чѐтко представлять различие опыта короткого замыкания и режима короткого замыкания. И в том, и в другом случае вторичные выводы трансформатора замкнуты накоротко, что соответствует бесконечно большой нагрузке, модуль полного сопротивления которой zН =

0, при этом выходное напряжение U2 = 0. Режим короткого замыкания – аварийный и очень опасен тяжѐлыми последствиями, поэтому не допустим для практической реализации.

В опыте короткого замыкания к первичной обмотке с помощью лабораторного автотрансформатора подводят пониженное напряжение такой

4

величины, при которой токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение и называется напряжением короткого замыкания Uк.

Обычно, его величину выражают в процентах от номинального и приводят в паспортных данных трансформатора :

Uк % = U к 100 %

U 1H

В опыте короткого замыкания практически вся потребляемая мощность расходуется на электрические потери в проводниках обмоток, а потери в стали pст пренебрежительно малы, т.к. их величина пропорциональна квадрату магнитного потока pст 2, а магнитный поток уменьшается с уменьшением первичного напряжения:

4,44U1fW1

Вопыте короткого замыкания напряжение на первичной обмотке U1=Uк и

составляет 4 – 7 % от номинального значения U1, пропорционально напряжению уменьшается магнитный поток, что позволяет считать, что потребляемая из сети мощность практически целиком расходуется на нагрев

обмоток, т.е. p = pЭ ; pст = 0.

Мощность электрических потерь при нагрузках, отличных от номинальной,

определяют с учѐтом коэффициента нагрузки трансформатора :

т. е. мощность электрических потерь:

pЭ = I12 r1 + I22 r2 = 2 I1H2 r1 + 2 I2H2 r2 = 2 (I1H2 r1 + I2H2 r2) = 2 pЭH,

где pЭH – электрические потери мощности при номинальной нагрузке.

Из опыта короткого замыкания определяют параметры “Г” образной и упрощенной схем замещения (рис. 2 б, в).

5

где сопротивления короткого замыкания:

rк = r1 + r2’ ; xк = x1 + x2’

Для “Т” образной схемы замещения принимают во внимание, что практически достоверны равенства:

r1 = r2’ = r2к

x1 = x2’ = xк

2

К основным характеристикам трансформатора относится внешняя характеристика трансформатора U2 (I2) и зависимости КПД его от величины нагрузки ( ). Внешняя характеристика (рис. 3) дает возможность определить изменение вторичного напряжения U2 при увеличении нагрузки от холостого хода до номинальной

U2 = U20 – U2

Изменение вторичного напряжения обычно выражается в процентах от номинального:

U2 % = U 2 100 %

U 2 H

Изменение вторичного напряжения зависит не только от величины нагрузки, но и от еѐ характера. Поэтому внешняя характеристика трансформатора – это семейство кривых,

имеющих общую точку с координатами I2 = 0, U2 = U20 (холостого хода).

Именно по этой причине за номинальное напряжение вторичной обмотки U2н

принимают напряжение холостого хода U20. При активной нагрузке cos

2 = 1 ; 2 = 0 при увеличении тока нагрузки до номинального значения изменение вторичного напряжения небольшое (рис. 3а) , при индуктивной нагрузке cos 2 < 1 ; 2 > 0 изменение больше, а при ѐмкостном характере нагрузки cos 2 < 1 ; 2 < 0 вторичное напряжение увеличивается (рис. 4).

6

КПД трансформатора определяют как отношение отдаваемой нагрузке активной мощности P2 к

мощности, потребляемой трансформатором из сети с учѐтом, что

P1 – P2 = p

Таким образом, по этой формуле можно определить КПД при нагрузке любой величины разного характера, располагая только паспортными данными, и не прибегая к прямым измерениям. Зависимость кпд трансформатора от величины нагрузки трансформатора - ( ) представлена на (рис. 5)

Рис. 5

ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

7

Для обеспечения безопасности при выполнении лабораторной работы необходимо: Сборку схемы проводить только при отключении лабораторного стенда от сети.

1.Включать установку под напряжение только с разрешения преподавателя или лаборанта после тщательной проверки.

2.При выполнении работы не касаться токоведущих частей.

3.Перед выполнением опыта короткого замыкания убедиться, что рукоятка лабораторного автотрансформатора находится в крайнем положении “О”. 4.По окончанию работы отключите установку от сети и специальной закороткой коснитесь выводов батареи конденсаторов для полной их разрядки.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Схема лабораторной установки приведена на рис. 6. Питание установки

осуществляется от сети переменного тока А – В через плавкие предохранители и регулирующий автотрансформатор ЛАТР. Со стороны первичной обмотки А – Х испытуемого трансформатора Тр используется прибор, для измерения подводимого напряжения U, ток I1 и активной мощности P1. со стороны вторичной обмотки а – х измеряют вторичные напряжение U2 , ток нагрузки I2. В работе используются силовые трансформаторы разной мощности, поэтому необходимо серьѐзно отнестись к выбору измерительных приборов и их пределов измерений.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с лабораторным стендом, устройством и техническими данными испытуемого трансформатора. При необходимости определить номинальные токи первичной и вторичной обмоток. Технические данные занести в таблицу 1.

Таблица 1

8

2.Собрать электрическую схему согласно рис.7. Рукоятку автотрансформатора установить в крайнее положение, при котором выходное напряжение будет равно 0.

3.Провести опыт холостого хода, для чего при отключенной нагрузке установить ЛАТРом на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U1 = U1H = 220 В.

рис.7

Провести измерения, результаты измерений и вычислений занести в таблицу

2.

Таблица 2

4. Провести опыт короткого замыкания, для чего:

а) установить рукоятку автотрансформатора в крайнее положение, при котором его выходное напряжение равно 0, ползунок регулировочного реостата Rp установить в среднее положение;

б) замкнуть оба ключа Ккз;

в) схему, подготовленную для проведения опыта короткого замыкания,

предъявить преподавателю или лаборанту для проверки;

9

г) включить схему под напряжение и плавно увеличивать напряжение на первичной обмотке до такого значения U1 = Uк , при котором в первичной обмотке будет протекать ток равный номинальному

I1=Iк=I1Н. Ккоррекция напряжения на первичной обмотке производится с помощью реостата Rp. Показания приборов занести в таблицу 3.

Таблица 3

Внимание! Повышать напряжение на зажимах первичной обмотки необходимо осторожно и внимательно, т.к. небольшое увеличение напряжения может сопровождаться резким броском тока и выходу установки из строя.

д) определить по данным опытов холостого хода и короткого замыкания параметры “Т” образной схемы замещения xμ ; rμ ; x1 ; r1 ; x2’ ; r2’. Определить сопротивления r2 и х2 вторичной обмотки трансформатора.

5. Провести испытания трансформатора под нагрузкой, для чего следует:

а) при отключенной нагрузке (ключи К1 ; К2 ; К3 разомкнуты) установить на первичной обмотке испытуемого трансформатора номинальное напряжение

U1 = U1H = 220 В;

б) замкнув ключ К1 подключить активную нагрузку (нагрузочный реостат

RН) записать показания приборов при следующих значениях тока нагрузки

I2 : 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1 и 1,25 I2H. Результаты измерений занести в таблицу 5.

в) Ключами К1 и К2 присоединить к трансформатору активно –индуктивную нагрузку. Изменяя величину Rн установить ток нагрузки I2=1,25 I2н .

Результаты изменения занести в таблицу 5.

10