Испытание однофазных трансформаторов

Цель работы

1. Изучить конструкцию однофазных трансформаторов.

2. Исследовать однофазный трансформатор в режимах: холостого хода, короткого замыкания, нагрузки.

Краткая теория

Первые однофазные трансформаторы были построены в 187577 годах инженером П.Н. Яблочковым и были использованы для устройства электрического освещения. В 1882 году на промышленной выставке в Москве демонстрировались трансформаторы конструкции другого русского изобретателя И.Ф. Усагина. Первые трёхфазные трансформаторы были построены русским учёным М.О. ДоливоДобровольским в 1889 году, который вывел уравнение трансформаторной э.д.с. и дал метод испытания трансформаторной стали.

Трансформатор в простейшем случае имеет две обмотки - первичную и вторичную, размещённые на общем сердечнике – магнитопроводе, собираемом из листовой электротехнической стали, изолированной лаком и бумагой.

Если одну из обмоток трансформатора – первичную с числом витков W₁ запитать переменным током, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток Ф, возбуждающий:

в первичной обмотке э.д.с. e₁=  W₁ ;

во вторичной обмотке э.д.с. e₂=  W₂ .

Действующие значения этих э.д.с. равны

Е₁ = 4,44 f W₁ Ф_m, Е₂ = 4,44 f W₂ Ф_m, где

W₂ – число витков вторичной обмотки, f – частота сети.

Если во вторичную цепь включена нагрузка, то по ней протекает ток I₂ . Магнитный поток в сердечнике трансформатора, работающего под нагрузкой, обусловлен совместным действием намагничивающих сил обеих обмоток. Однако, амплитудное значение этого потока почти не зависит от величины токов в обмотках трансформатора. Оно пропорционально величине напряжения U₁, подведённого к трансформатору.

Отношение k = = называется коэффициентом трансформации трансформатора. Если величины W₁ и W₂ неизвестны, то коэффициент трансформации определяется по результатам опыта холостого хода.

Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, когда к первичной обмотке подведено напряжение, а вторичная обмотка разомкнута. Ток, протекающий в этом случае в первичной обмотке, называют током холостого хода и обозначают I₀.

Так как во вторичной обмотке тока нет, поэтому э.д.с. равна напряжению на зажимах U₂₀ при холостом ходе, т.е. Е₂ = U₂₀, а э.д.с. Е₁ ничтожно мало отличается от напряжения U₁, и коэффициент трансформации определится как соотношение k = . (8.1)

Работа трансформатора сопровождается потерей некоторой части потребляемой мощности и выделением тепла внутри трансформатора.

Потери мощности трансформатора подразделяются на две группы:

• потери в стали,

• потери в меди.

Мощность холостого хода трансформатора расходуется на потери в стали сердечника трансформатора и потери в меди первичной обмотки вследствие прохождения по ней тока холостого хода,

т.е. Р₀ =∆Р_ст + I₀² R₁ ;

где ∆Р_ст – магнитные потери в стали трансформатора,

R₁ – активное сопротивление первичной обмотки.

Откуда ∆Р_ст = Р₀  I₀² R₁. (8.2)

Потери в стали ∆Р_ст , обусловленные гистерезисом и вихревыми токами, пропорциональны квадрату магнитного потока сердечника и поэтому не зависят от нагрузки трансформатора, а только от подводимого напряжения U₁. При одном и том же напряжении эти потери будут одинаковы как при холостом ходе, так и при полной нагрузке трансформатора. Потери холостого хода составляют около 2% номинальной мощности трансформатора.

Потери в меди ∆Р_М, наоборот, зависят не от магнитного потока, а от квадрата тока в обмотках, т. е. ∆Р_М= ,

где R₁ и R₂активные сопротивления обмоток трансформатора.

Опыт короткого замыкания трансформатора проводят для определения потерь в меди, для определения активного и реактивного сопротивлений обмоток трансформатора, для определения напряжения короткого замыкания.

В опыте короткого замыкания одну из обмоток трансформатора замыкают накоротко и постепенно повышают напряжение на зажимах второй обмотки до тех пор, пока ток в ней достигнет номинального значения. Полученное напряжение U_1K называют напряжением короткого замыкания и выражают в процентах по отношению к номинальному первичному напряжению, т.е. U_K= 100%. (8.3)

У большинства силовых трансформаторов напряжение короткого замыкания составляет 5.5 %. Поэтому магнитный поток в сердечнике трансформатора, а, следовательно, и потери в стали при опыте короткого замыкания получаются незначительными.

Мощность P_K, потребляемую трансформатором при опыте короткого

замыкания, измеренную ваттметром, можно считать равной потерям в меди при номинальных токах в обмотках.

Поскольку потери в меди пропорциональны квадрату тока в обмотках, то зная величину P_K, можно рассчитать эти потери для любой нагрузки трансформатора ∆P_M = β²P_K,

где β = коэффициент загрузки трансформатора, равный отношению тока нагрузки I₂ к номинальному току вторичной обмотки.

Полные потери мощности в трансформаторе будут равны

∆P =∆Р_ст+∆P_M.

Метод определения потерь по опытам холостого хода и короткого замыкания удобен тем, что посредством его можно определить к.п.д. крупных трансформаторов при отсутствии источника энергии достаточно большой мощности и соответствующей нагрузки как отношение мощности Р₂ к получаемой Р₁

η = = = , (8.4)

где S=U_НI_Н номинальная мощность в вольт-амперах,

cos φ₂ коэффициент мощности, зависящий от характера нагрузки.

Для ламп накаливания принимают cos φ₂=1.

Омическое сопротивление обмоток трансформатора замеряют по методу амперметра и вольтметра. Величина тока при измерениях не должна превышать 20% номинального тока обмотки. Сопротивление обмоток измеряется при трёх различных значениях тока и определяется как среднее арифметическое значение трёх измеренных сопротивлений. Омическое сопротивление обмоток трансформатора измеряется постоянным током по схеме, изображенной на рис. 8.1. Замерив показания амперметра и вольтметра, определяют омическое сопротивление по закону Ома

r = . (8.5)

Активное сопротивление обмоток можно приближенно определить по формуле R ≈ rK_Ф (8.6)

где К_Ф коэффициент активного сопротивления, учитывающий увеличение сопротивления при переменном токе К_Ф=1,05 - 1,2.

Приборы и лабораторное оборудование

1. Однофазный трансформатор.

2. Амперметры, вольтметры, ваттметры.

3. Лабораторный автотрансформатор.

4. Активная нагрузка – две фазы по 7 ламп на фазу.

5. Источник питания ~127/220В.

Порядок выполнения работы

1. Исследование однофазного трансформатора.

• Произвести внешний осмотр, изучить расположение первичной и вторичной обмоток, конструкцию магнитопровода, записать паспортные данные.

• Собрать схему рис. 8.1.

Рис. 8.1

• Измерить омическое сопротивление первичной и вторичной обмоток трансформатора. Результаты измерений занести в таблицу 8.1.

Таблица 8.1

Измерено				Вычислено
U1 B	U2 B	I1 A	I2 A		r1 Ом	r2 Ом	R1 Ом	R2 Ом
Цена д
1	2	3	4		5	6	7	8

• По формулам (8.5) и (8.6) подсчитать величины омического и активного сопротивлений обмоток.

2. Собрать электрическую цепь, изображенную на рис. 8.2; 8.2А.

Рис. 8.2 А

• Провести опыт холостого хода (рис. 8.2).

Примечание:

Перед подачей напряжения на трансформатор TV (ЛаТр) предварительно установить минимальное значение выходного напряжения (достигается поворотом рукоятки по направлению против часовой стрелки).

• Записать показания приборов в таблицу 8.2, изменяя U₁ от некоторого значения до номинальной величины.

Таблица 8.2

Измерено				Вычислено
U1 B	U20 B	I0 A	P0 Вт		∆ PСТ Вт	k	сos φ0
Цена д
1	2	3	4		5	6	7

• Вычислить:

коэффициент трансформации по формуле (8.1),

cos φ₀ по формуле cos φ₀ = ,

потери в стали по формуле (8.2).

• построить графики I₀=f(U₁), ∆P_СТ =f(U₁), cos φ₀=f(U₁).

3. Собрать схему (рис. 8.2А) и провести опыт короткого замыкания.

• По имеющимся паспортным данным определить номинальные значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора.

• Включить схему и, постепенно повышая напряжение U_1K, довести в первичной обмотке ток до I₁=I_ном. Сделать несколько замеров при токах, меньших I_ном. Учесть, что напряжения короткого замыкания трансформатора должны быть не больше U_1K  1-5% U_ном.

• Замеренные величины записать в таблицу 8.3. Таблица 8.3

Измерено				Вычислено
U1К B	I1 A	PК Вт	I2 A	UК %	сos φ1К	β=I2/I2ном	η
Цена д
1	2	3	4	5	6	7	8

• Вычислить напряжение короткого замыкания по формуле (8.3)

и cos φ_1К по формуле cos φ_1К= .

• Определить коэффициент полезного действия трансформатора по формуле (8.4) для рассчитанных по данным опыта значений коэффициентов загрузки β.

• Построить графики I₁=f(U_1К), P_K=f(U_1К), cos φ_1К=f(U_1К).

4. Исследовать трансформатор при активной нагрузке и собрать схему в соответствии с рис.8.3.

Рис. 8.3

• Начиная с I₂=0 до I₂=(1.1…1.2) I_2Н при U₁=const произвести замеры показаний приборов и записать в таблицу 8.4.

Таблица 8.4

Измерено						Вычислено
U1 B	I1 A	P1 Вт	U2 В	I2 А	P2 Вт		сos φ1	сos φ2
Цена д
1	2	3	4	5	6		7	8

• Определить cos φ₁= , а cos φ₂ считать равным единице, т. к. во вторичной цепи активная нагрузка.

• Построить внешнюю характеристику трансформатора, представляющую собой зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки U₂ от тока во вторичной обмотке I₂: U₂=f(I₂) при U₁=const, cos φ₂=const.

Контрольные вопросы

1. В чём заключается принцип действия, и каково устройство однофазного трансформатора?

2. Какова задача опыта холостого хода трансформатора?

3. Какие параметры замеряются и определяются в результате опыта короткого замыкания?

4. Как определяются потери мощности в трансформаторе?

5. Как маркируются обмотки трансформатора?

6. Почему потери мощности в сердечнике трансформатора не зависят от тока нагрузки?

7. Какое влияние оказывает характер нагрузки на внешнюю характеристику трансформатора?

Лабораторная работа № 9