Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Национальный исследовательский

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Электроснабжения и Электротехники

Испытание однофазного трансформатора

Отчет по лабораторной работе №5

по дисциплине «Общая электротехника и электроника»

Выполнил

Студент СМо-11-1 ________ Баранько Н. В. __________

(подпись) Фамилия И.О. (дата)

Принял

Доцент каф. Э и ЭТ ________ Кирюхин Ю.А. __________

(подпись) Фамилия И.О. (дата)

Иркутск 2012

Содержание

Содержание 2

Программа работы 7

Оборудование лабораторной установки 7

Порядок выполнения работы 7

Графики 13

Контрольные вопросы и ответы на них 14

Список литературы 18

Цель: ознакомление с методами получения эксплуатационных характе­ристик трансформатора и определения параметров его схемы замещения.

Основные понятия

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный дня преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

Рис.1

Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника и двух располо­женных на нём обмоток. Одна из них, первичная с числом витков _, подклю­чается к источнику питания с напряжением . К другой, вторичной с числом витков W₂, подключается потребитель (рис. 1).

Под действием подведённого переменного напряжения в первичной об­мотке возникает ток и возбуждается переменное магнитное поле. Большая часть силовых линий этого поля замыкается по сердечнику, образуя рабочий поток Ф. Этот поток сцепляется с витками обеих обмоток и наводит в них ЭДС индукции:

Действующие значения ЭДС е₁ и е₂ равны:

Кроме основного (рабочего) потока Ф в трансформаторе возбуждаются переменные магнитные потоки рассеяния Ф_σ1и Ф _σ2, силовые линии которых замыкаются вокруг витков обмоток через воздух. Эти потоки наводят в обмот­ках ЭДС е_σ1и е_σ2.

Действующие значения ЭДС рассеяния равны:

В процессе передачи энергии от сети к потребителю магнитные потоки Ф_σ1и Ф _σ2 не участвуют.

Уравнения электрического состояния цепей первичной и вторичной об­моток нагруженного трансформатора имеют вид:

При изменении нагрузки трансформатора, сопровождающемся изменени­ем тока I₂, происходит и изменение напряжения на зажимах вторичной обмот­ки U₂.

Зависимость вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂ называется внешней характеристикой трансформатора, т.е. это зависимость U₂ = f(I₂) получаемая при U₁ = const и cosφ=const. На рис. 2 приведены внеш­ние характеристики трансформатора, работающего при различных по характеру сопротивлениях нагрузки.

Работа трансформатора сопровождается потерями энергии. Различают два вида потерь: магнитные (мощность потерь в сердечнике или в стали); элек­трические (мощность потерь в обмотках). Таким образом» мощность потерь в трансформаторе

Мощность потерь в сердечнике ΔР_М пропорциональна квадрату приложенного напряжения и не зависит от нагрузки.

Мощность потерь в обмотках пропорциональна квадрату тока:

где ΔР_э1 - мощность потерь в первичной обмотке; ΔР_э2 - мощность потерь во вторичной обмотке.

Рис.2

При расчёте электрических цепей, содержащих трансформатор, магнит­ная связь между его обмотками заменяется электрической. Реальный транс­форматор представляется при этом эквивалентной электрической схемой, кото­рая называется схемой замещения. На схеме замещения все величины, относя­щиеся ко вторичной цепи трансформатора, приведены к первичной. Приведе­ние осуществляется заменой реального трансформатора с W₂ ≠W₁ и n≠1 эк­вивалентным трансформатором, у которого W`₂ и n = 1 .

Используется чаще всего упрощенная Г-образная схема замещения, изо­бражённая на рис. 3.

Рис. 3. Г-образная схема замещения трансформатора

R_K и Х_K- параметры короткого замыкания трансформатора, определя­ются по следующим формулам:

где R₁ и Х₁- активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки; R’₁ и Х’₁ - приведённые активное и индуктивное сопротивления вторичной обмот­ки; R₀ и Х₀ -параметры холостого хода трансформатора, параметры ветви намаг­ничивания (рис. 3).

Для определения параметров схемы замещения используются данные, полученные в результате проведения опытов холостого хода и короткого замы­кания.

Трансформатор находится в режиме холостого хода при разомкнутой це­пи вторичной обмотки (I₂ = 0) . Опыт проводится при подведении к первич­ной обмотке номинального напряжения.

Измерения, произведённые при опыте холостого хода, позволяют опреде­лить мощность потерь в сердечнике, параметры ветви намагничивания Г-образной схемы замещения, коэффициент трансформации.

Трансформатору, находящемуся в режиме холостого хода, соответствует схема замещения, изображённая на рис. 4.

Рис.4

Мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, за­трачивается на потери в стали сердечника P₀=ΔР_М. Параметры схемы заме­щения определяются по формулам:

Коэффициент трансформации трансформатора, равный отношению числа витков обмотки высокого напряжения W_вн к числу витков обмотки низкого на­пряжения W_нн , определяется как отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток в режиме холостого хода n=U₁₀/U₂₀,

Опыт короткого замыкания трансформатора производится при замыкании накоротко зажимов вторичной обмотки. К первичной обмотке подводится при этом пониженное напряжение такой величины, при которой ток вторичной об­мотки равен току номинальному, т.е. I₂= I_2н. Этому состоянию трансформа­тора соответствует схема замещения, представленная на рис.5.

Рис. 5. Схема замещения трансформатора при опыте короткого замыкания

Измерения, произведённые при опыте короткого замыкания, позволяют определить мощность потерь в обмотках трансформатора и параметры коротко­го замыкания схемы замещения, т.е.

где ΔР_ЭН - номинальные электрические потери, равные мощности, потребляе­мой трансформатором в режиме короткого замыкания.

Параметры схемы замещения определяются в соответствии с формулами

Коэффициент полезного действия трансформатора можно рассчитать, ис­пользуя данные опытов холостого хода и короткого замыкания:

где S_H - номинальная мощность трансформатора; β - коэффициент загрузки трансформатора, который равен отношению I₂ /I_2н; φ₂ - угол сдвига фазы то­ка по отношению к фазе напряжения (зависит от характера нагрузки).

КПД можно определить и опытным путём, непосредственно измеряя с помощью ваттметров мощности Р₁ и Р₂ и рассчитывая их отношение:

Но КПД трансформатора высок (0,99-0,995), и процентная разница величин Р₁ и Р₂ сравнима с погрешностью приборов, используемых для их измерения. По­этому определение величины КПД рекомендуется производить расчётным пу­тём.

Используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания, можно также рассчитать и построить внешнюю характеристику трансформатора.

Вторичное напряжение U₂ можно определить, исходя из формулы

(1)

где U₂₀- напряжение на зажимах вторичной обмотки, измеренное при опыте холостого хода; ΔU₂%- процентное изменение напряжения на вторичной об­мотке.

Формула (1) получена на основе формулы (2).

Процентное изменение напряжения ΔU₂% определяется по формуле

(2)

где U_ка% - активная составляющая напряжения короткого замыкания; U_кр% - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания. Их величины определяются по формулам:

Так как график представляет собой прямую линию, то внешнюю характеристику можно построить по двум точкам: первая соответствует режиму холостого хода (β=0), вторая - номинальной нагрузке (β=l).