Лабораторная работа №7

Исследования однофазного трансформатора

I. Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия однофазного двухобмоточного трансформатора и исследовать его работу в режиме холостого хода и под нагрузкой.

II. Основные теоретические положения

На современной строительной площадке и предприятиях строительной индустрии имеется большое количество потребителей электрической энергии: землесосные снаряды и экскаваторы, используемые на земляных работах; башенные краны, подъемники лифты, сварочные аппараты, насосы, установки подогрева бетона, грунта, каменные конструкции, компрессоры, вентиляционные установки, электрифицированный ручной инструмент, которые находят применение на строительно-монтажных работах. Коммунально-бытовые объекты строительства оснащены электрокалориферами, сушилками, электропечами. Территория строительства освещается люминесцентными лампами накаливания. Значительное количество электроэнергии потребляется заводами сборного железобетона, бетонными, арматурными, камнедробильными и лесозаводами, ремонтно-механическими мастерскими, гаражами, насосными системами коммунального водоснабжения, сооружениями канализации.

Основным родом тока большинства потребителей энергии на отмеченных выше объектах является переменный ток напряжением 10000, 6000, 3000, 660, 380, 220, 127, 60, 36, 12 В. Электроснабжение предприятий стройиндустрии и стройплощадок в целом осуществляется, как правило, с помощью высоковольтных электрических сетей, передающих электроэнергию при напряжениях 220000, 150000, 110000, 35000, 20000, 10000, 6000 В.

Поэтому важнейшими системами электроснабжения являются статические магнитные аппараты. Трансформаторы – это устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте. С их помощью увеличивают напряжение в месте производства электроэнергии, что обеспечивает ее передачу на дальние расстояния с малыми потерями.

Однофазный трансформатор изобрел русский ученый Павел Николаевич Яблочков, который в 1876 г. впервые использовал катушку индуктивности с двумя обмотками для питания изобретенных им электрических свечей.

Выдающийся русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трехфазную систему переменного тока и разработал первый трехфазный трансформатор. Российское трансформаторостроение - это и сегодня крупнейшая отрасль электротехнической промышленности, последними достижениями которой являются уникальные трансформаторы мощностью 1000 МВА и напряжением до 1050 кВ.

Однофазный двухобмоточный трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором размещены две обмотки, выполненные из изолированного провода, и электрически не связанные между собой. Обмотка, присоединяемая к источнику питания, называется первичной, а другая, к которой подключается потребитель (нагрузка), - вторичной.

Переменное напряжение U₁, подводимое к первичной обмотке, создает в ней небольшой ток I₁, который в свою очередь образует переменное магнитное поле. Это поле усиливается в тысячи раз за счет магнитных свойств сердечника. Переменный магнитный поток образовавшегося поля Ф почти весь замыкается по сердечнику и пронизывает все витки двух обмоток. Вследствие периодического изменения потока Ф в обеих обмотках трансформатора наводятся переменные ЭДС, значения которых определяют по закону электромагнитной индукции:

= - , = - . (1)

Действующие значения этих ЭДС можно найти из соотношений:

= , = , (2)

где W₁, W₂ – соответственно число витков первичной и вторичной обмоток;

Ф_м – амплитудное значение магнитного потока;

f – частота переменного тока.

Если на первичную обмотку подано напряжение U₁, а ко второй - нагрузка не подключена, то тока I₂ в ней нет, а напряжение на ее зажимах U₂ численно равняется наведенной в обмотке ЭДС E₂. Такой режим называется режимом холостого хода трансформатора и позволяет получить данные для К, тока холостого хода первичной обмотки I₁₀ и потерь электрической мощности в стали Р_ст. Коэффициентом трансформации К называется отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора:

= = = . (3)

Поскольку в режиме холостого хода тока во вторичной обмотке нет, а ток первичной обмотки I₁₀ оказывается незначительным в сравнении с его номинальным (паспортным) значением, то потеря электрической мощности на нагрев медного провода двух обмоток Р_м ничтожно малы. Поэтому потребляемая трансформатором от источника питания электрическая мощность идет на покрытие потерь в стали сердечника Р_ст. Эти потери Р_ст определяются затратами

мощности на перемагничивание сердечника (потери на гистерезис) и нагрев его вихревыми токами.

Холостой ход трансформатора характеризуется низким значением коэффициента мощности – cos₁₀. Поэтому длительная работа трансформатора в этом режиме недопустима.

Если на первичную обмотку подано напряжение U₁, а ко вторичной - подключена нагрузка (режим нагрузки), то в цепи вторичной обмотки возникает ток I₂, и на зажимах приемника устанавливаются напряжение

= - , (4)

где Z₂ – полное сопротивление вторичной обмотки.

Зависимость величин напряжения U₂ от тока I₂, проходящего по вторичной обмотке и по нагрузке, называется внешней характеристикой (рис.1) и снимается экспериментально при постоянном характере нагрузки (cos ₂ = const, U₁ = const, f = const).

Работа трансформатора под нагрузкой характеризуется коэффициентом полезного действия  и коэффициентом мощности cos₁, которые зависят от характера и величин нагрузки (рис.2).

Схема лабораторной установки

Коэффициент полезного действия  представляет собой отношение величины активной мощности Р₂, отдаваемой трансформатором нагрузки, к величине активной мощности Р₁, подводимой к трансформатору от источника питания:

 = 100% = 100%. (5)

Максимальный КПД соответствует нагрузке, при которой потери мощности стали Р_ст и меди Р_м одинаковы.

Благодаря отсутствию вращающихся частей (трансформатор является статическим аппаратом) коэффициент полезного действия может достигать значений 95%.