Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лабы по эл-магнетизму.doc
Скачиваний:
23
Добавлен:
06.05.2019
Размер:
2.78 Mб
Скачать

Контрольные вопросы

1. Какую физическую величину называют индуктивностью? От чего она зависит? Каковы единицы измерения индуктивности в системе СИ?

2. Объяснить причину индуктивного сопротивления катушки в цепи переменного тока. Каким соотношением описывается индуктивное сопротивление? В каких единицах оно измеряется?

3. Как применяется мост Максвелла для измерения индуктивности катушки? Вывести условия равновесия моста.

Лабораторная работа № 16. Изучение работы трансформатора переменного тока

Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы трансформатора, определение коэффициента трансформации понижающих и повышающих трансформаторов, изучение зависимости коэффициента трансформации от нагрузки.

Приборы и принадлежности: вольтметр на 6В, вольтметр на 300 В, вольтметр на 450 В, миллиамперметр на 600 мА, лабораторный автотрансформатор, лампы накаливания – 6 шт., исследуемые трансформаторы – 3 шт.

Методика эксперимента

Трансформатором называют техническое устройство, предназначенное для преобразования амплитудных значений переменных токов или напряжений при неизменной частоте. Конструкция трансформатора зависит от его назначения и частоты переменного тока цепи, где он включен. Трансформаторы, включаемые в цепи промышленной частоты (ν = 50 Гц), состоят из двух или более электрически изолированных обмоток, надетых на общий замкнутый сердечник 1 из магнито-мягкого ферромагнетика (рис. 5.19). Концы одной из обмоток, называемой первичной n1, подключаются к сети питающего переменного тока с ЭДС Е (вход трансформатора), а концы других обмоток n2, называемых вторичными, подключаются к потребителям электрической энергии (осветительные и электронагревательные приборы), электродвигатели, радиоприемники и т.п. (см. рис. 5.19).

Е сли ЭДС в первичной обмотке изменяется по гармоническому закону:

ЕI = Em cosωt,

где Еm – амплитудное значение ЭДС, ω = 2 πv круговая частота, то в цепи первичной обмотки потечет переменный ток I = Im cost + φ) с той же частотой. Этот переменный ток первичной обмотки вызовет появление переменного магнитного поля, а следовательно, и переменного магнитного потока Ф = Фcоs(ωt + φ). Большая часть магнитного потока Ф, замкнувшись по ферромагнитному сердечнику, сопротивление которого магнитному потоку мало, будет охватывать все обмотки трансформатора и наводить в них в соответствии с законом электромагнитной индукции ЭДС индукции : ;

где n1 и n2 число витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно.

Обычно стремятся выполнить трансформаторы так, чтобы поток рассеяния первичной обмотки был мал, то есть Ф' < Ф. Применяя к обмоткам трансформатора закон Ома, необходимо мгновенное значение ЭДС на входе трансформатора, равное алгебраической сумме ЭДС индукции Ei1 и внешней ЭДС Ei:

и на выходе трансформатора:

.

Обычно технические трансформаторы изготовляют так, чтобы омическое сопротивление обмоток было мало, то есть R1 → 0, тогда и R1I1→ 0 в режиме холостого хода, когда цепь вторичной обмотки разорвана и I2 = 0, получим соотношение для мгновенных значений:

и .

Отношение ЭДС во вторичной обмотке Е2, к ЭДС в первичной обмотке E1, взятое по модулю, равно отношению числа витков во вторичной обмотке n2 к числу витков в первичной обмотке n1, и называется коэффициентом трансформации K:

.

Тогда мгновенное значение ЭДС во вторичной обмотке:

Е2 = – KEl = – KEml сosωt = KEmlсos (ωt + π),

то есть ЭДС в первичной и вторичной обмотках изменяются в противофазе (сдвинуты по фазе на 180o). Когда к трансформатору подключена нагрузка и во вторичной обмотке протекает ток I2, то, пренебрегая потерями энергии в трансформаторе, в соответствии с законом сохранения энергии для мгновенных значений мощностей, развиваемых в первичной и вторичной обмотках можно записать:

P1 = E1l1 = E2l2 = P2

или:

.

Если трансформатор, повышающий по напряжению (Е2 > E1 и K > 1), то по току он понижающий (I2 < I1). Поскольку ток во вторичной обмотке изменяется в противофазе к току первичной обмотки, то создаваемый им переменный магнитный поток будет уменьшать магнитный поток первичной обмотки Ф, что приведёт к снижению коэффициента трансформации нагруженного трансформатора, по сравнению с режимом холостого хода. Потери энергии в трансформаторе обуславливают его КПД и складываются из потерь в меди обмоток и стали сердечника. Потери в меди обмоток связаны с их нагревом при протекании электрического тока. Эти потери удается понизить уменьшением омического сопротивления обмоток, то есть выполняя их из провода большого сечения и малого удельного сопротивления. Потери в стали сердечника связаны с разогревом его вихревыми токами, а также расходом энергии на перемагничивание. Вихревые токи удается уменьшить, набирая сердечник из тонких листов стали, изолированных друг от друга лаком. Потери на перемагничивание уменьшают, используя специальные сорта электротехнической стали, представляющей собой магнито-мягкий ферромагнетик с узкой петлей гистерезиса. КПД современных трансформаторов достигает 99%. Наряду с трансформаторами с изолированными обмотками, применяются трансформаторы, у которых вторичная обмотка является частью первичной. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами (рис. 5.20 и рис. 5.21). Если вывод обмотки выполнить в виде подвижного контакта, то получится автотрансформатор с плавно изменяемым коэффициентом трансформации ЛАТР – лабораторный автотрансформатор.

Порядок выполнения работы

Установить ручки управления в исходное состояние, для чего:

а) выключатель S1 установить в положение «включено» (нижнее положение).

б) выключатель S2 установить в верхнее положение.

в) выключатели S4, S5, S6, S7 установить в положение «выключено» (нижнее положение).

г) ручку управления автотрансформатором (ЛАТР) T1 установить против часовой стрелки до упора.

  1. Выключателем S1 включить установку в сеть переменного тока (рис. 5.20) (верхнее положение).

  2. Определить коэффициент трансформации понижающего трансформатора T1 в режиме холостого хода, для чего:

  • установить переключатель S2 в верхнее положение;

  • с помощью автотрансформатора T1 установить на первичной обмотке трансформатора T1 последовательно 100, 150 и 200 В (вольтметр PV1);

  • показания вольтметра РV2 во вторичной обмотке записать в таблицу 5.9 и вычислить значение коэффициента трансформации для трех измерений; оценить погрешность его измерения.

Т а б л и ц а 5.9

V1, В

V3, В

K = V3/ V1

ΔK

100

150

200

3. Определить коэффициент трансформации повышающего трансформатора Т2 в режиме холостого хода:

  • установить переключатель S2 в нижнее положение;

  • с помощью автотрансформатора T1 установить на первичной обмотке трансформатора последовательно 100, 150, 200 В (вольтметр PV1);

  • показания вольтметра PV2 во вторичной обмотке записать в табл. 5.10 и вычислить значение коэффициента трансформации для трех измерений, оценить погрешность его измерения;

  • определить среднее значение трансформации и оценить погрешность его измерений.

Т а б л и ц а 5.10

V1, В

V2, В

K = V2/ V1

ΔK

100

150

200

4. Изучить зависимость коэффициента трансформации от величины нагрузки во вторичной обмотке:

– установить переключатель S2 в верхнее положение;

– с помощью автотрансформатора T1 установить в первичной обмотке трансформатора Т2 200 В (вольтметр PV1);

– последовательно увеличивая нагрузку во вторичной обмотке трансформатора Т3, путем включения выключателей 1, 2, 3 лампочек, снять показания вольтметра РV3 и миллиамперметра, и занести значения в табл. 5.11;

– по данным табл. 5.11 вычислить коэффициент трансформации трансформатора Т3 для каждого значения тока нагрузки;

– построить на миллиметровке график зависимости коэффициента трансформации от тока нагрузки во вторичной обмотке.

Т а б л и ц а 5.11

Число ламп

V1, В

V3, В

I, 10-3 A

K = V3/ V1

ΔK

0

200

1

200

2

200

3

200