ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

«МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

Кафедра "Электроника и информатика"

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Методические указания к лабораторной работе

по курсу «Электротехника и электроника»

Составитель: А.А. Пяткин

МОСКВА 2005

ВВЕДЕНИЕ

Данные методические указания к лабораторной работе по исследованию однофазного трансформатора разработаны в соответствии с учебной программой курса "Электротехника и основы электроники'" и предназначены для студентов дневной и вечерней формы обучения всех специальностей.

Продолжительность лабораторной работы - 4 часа.

В данной работе исследуется однофазный двухобмоточный трансформатор, предназначенный для амплитудного изменения синусоидального напряжения. Исследуемый трансформатор состоит из сердечника, собранного из листов электротехнической стали, на котором размещены две обмотки: первичная, к которой подводится электрическая энергия, вторичная к которой присоединяется нагрузка. Обмотки электрически изолированы от сердечника и друг от друга.

Данные методические указания дают возможность определить важнейшие 1ксгогуатационные показатели трансформатора: коэффициент полезного действия и процентное изменение вторичного напряжения трансформатора при нагрузке.

I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Теоретическое и экспериментальное исследование однофазного двухобмоточного трансформатора: определение коэффициента трансформации, определение параметров схемы замещения, построение внешних характеристик, определение коэффициента полезного действия.

II. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ

Однофазные двухобмоточные трансформаторы характеризуются следующими номинальными данными:

номинальная полная мощность ;

- номинальные напряжения первичной и вторичной обмоток , ; номинальные токи первичной и вторичной обмоток , ;

- частота питающего напряжения f;

- напряжение короткого замыкания, выраженное в процентах ;

- ток холостого тока в процентах при нормальном напряжении первичной обмотки;

- мощность потерь холостого хода при номинальном напряжении первичной и вторичной обмоток;

- мощность потерь короткого замыкания при номинальных токах в обмотках.

При анализе работы исследуемого трансформатора и определении его параметров воспользуемся эквивалентной электрической схемой замещения трансформаторов, представленной на рис. 2.1. На рис. 2.1.(а) приведена полная (Т-образная) схема замещения, а на рис. 2.1 .(б) - упрощенная схема.

На рис. 2.1. обозначены:

- соответственно активное и индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки;

- соответственно приведенное активное и приведенное индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки, определяемые:

; (2.1)

- активное сопротивление намагничивающей ветви ав, характеризующее потери энергии в трансформаторе на нагрев ферромагнитного сердечника в результате вихревых токов и циклического перемагничивания;

- индуктивное сопротивление намагничивающей ветви ав, характеризующее э.д.с., наведенную основным магнитным потоком ;

- соответственно напряжение и ток первичной обмотки ;

- соответственно приведенные напряжение и ток вторичной обмотки:

(2.2)

- ток намагничивающей ветви ав ;

- приведенное полное сопротивление нагрузки, подключенной на выходные .зажимы трансформатора:

(2.3)

Э.д.с., наводимые в обмотках трансформатора основным магнитным потоком, зависят от частоты питающей сети, числа витков обмоток и от магнитного потока, и определяются:

(2.4)

Из этих выражений можно определить коэффициент трансформации:

(2.5)

Коэффициент трансформации может быть определен из опыта холостого хода трансформатора, а параметры схемы замещения, представленной на рис. 2.1., могут быть определены из опытов холостого хода и короткого замыкания.

Опыт холостого хода.

При опыте холостого хода вторичная обмотка трансформатора разомкнута (), а к первичной подводится номинальное напряжение. Так как в реальных трансформаторах сопротивления и то сопротивлениями , и можно пренебречь, тогда можно считать, что ток холостого хода равен . При этом энергия, потребляемая трансформатором из сети, затрачивается в основном на нагрев сердечника. Из опыта холостого хода можно определить:

1) номинальное напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора ;

2) коэффициент трансформации. Учитывая принятые допущения, можно считать, что , a , и используя формулу (2.5) получают:

(2.6)

3. ток холостого хода в процентах от номинального тока:

, (2.7)

где:

(2.8)

4) активную мощность Р0 , потребляемую из сети и затрачиваемую трансформатором на нагрев сердечника;

5) параметры намагничивающего контура ав схемы замещения:

; ; (2.9)

6) коэффициент мощности: (2.10)

2.2 Опыт короткого замыкания:

В опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора закорочена (). К первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, называемое напряжением короткого замыкания , при котором по обмоткам протекают номинальные токи. Ток определяется по выражению (2.8).

Из опыта короткого замыкания можно определить:

1) напряжение короткого замыкания в процентах от номинального напряжения:

(2.11)

2) активную мощность , потребляемую из сети и затрачиваемую в основном на нагрев обмоток. В схеме замещения можно принять, что , a . При этом мощностью потерь на нагрев сердечника можно пренебречь.

3) параметры схемы замещения (рис. 2.1.6):

; ; (2.12)

4) сопротивления обмоток трансформатора. Из условия приведения вторичной обмотки к первичной имеем:

; (2.13)

и сопротивления вторичной обмотки можно определить, используя формулы (2.1).

5) коэффициент мощности:

(2.14)

2.3 Опыт нагруженного трансформатора.

В опыте нагруженного трансформатора к первичной обмотке подводится номинальное напряжение, а к вторичной подключается нагрузка. По опытным данным для любой нагрузки можно определить:

1) коэффициент мощности, потребляемый трансформатором из сети

(2.15)

2) коэффициент нагрузки трансформатора:

(2.16)

3) сдвиг фаз между напряжением и током в нагрузке:

; (2.17)

где , - соответственно активное и полное сопротивление нагрузки. При активной нагрузке и . При активно-индуктивной нагрузке дано на лицевой панели макета, а полное сопротивление определяется по формуле:

(2.18)

При емкостной нагрузке и .

4) коэффициент полезного действия трансформатора:

(2.19)

где , - соответственно мощности потерь трансформатора в ферромагнитном сердечнике и обмотках, определяемые и обмотках, определяемые из опытов холостого хода и короткого замыкания;

5) внешнюю характеристику при различных нагрузках и сравнить ее с расчетной, определяемой по формуле:

(2.20)

где - изменение вторичного напряжения трансформатора.

На рис. 2.2 представлены внешние характеристики трансформатора при для различного характера нагрузки. Из формулы (2.20) видно, что изменение вторичного напряжения трансформатора зависит не только от величины нагрузки , но и от ее характера .

III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ.

Перед работой каждый студент должен познакомиться с инструкцией по технике безопасности и расписаться в журнале по технике безопасности. Работа выполняется под руководством преподавателя или лаборанта. Категорически запрещается в процессе работы производить включение или отключение электроизмерительных приборов! Перед выполнением опыта короткого замыкания трансформатора входное напряжение трансформатора должно быть равно нулю!

При выполнении лабораторной работы используется блок однофазного трансформатора ЭВ4с06, универсальный лабораторный стенд ЭВ4 (секция электрических цепей) и измерительный комплект К505. Схема собирается в соответствии с рис. 3.1.

Рис. 3.1

Измерительный комплект К505, содержащий амперметр (), вольтметр () и ваттметр (W), предназначен для измерения тока и напряжения первичной обмотки трансформатора, а также измерения активной мощности,. Потребляемой трансформатором. Цена деления амперметра и вольтметра для выбранных пределов измерения определяется по таблице в соответствующих строках () и столбцах (), а цена деления ваттметра - на их пересечениях. На измерительном комплекте имеются клеммы (А,В,С,0 - Генератор), с помощью которых он присоединяется к источнику регулируемого напряжения, а также клеммы (А,В,С,0 - Нагрузка), с помощью которых он присоединяется к трансформатору. Для проведения работы можно использовать клеммы А-0.

Источник регулируемою напряжения находится на столе стенда ЭВ4 (гнезда 0-220В). Напряжение регулируется с помощью регулятора напряжения , (черная ручка в центре стола).

На столе стенда имеется кнопка включения питания "Сеть". При нажатии на нее загорается сигнальная лампочка.

Для измерения тока и напряжения во вторичной обмотке трансформатора применяются универсальные цифровые вольтметры В7-22А.

Перед выполнением работы: Включить в сеть приборы для прогрева в течение 30 минут.

2. Установить пределы измерения приборов.

3. Регулятор напряжения установить в крайнее левое положение.

4. Собрать схему рис. 3.1., используя соединительные шнуры.

5. Подключить питание, нажав кнопку "Сеть".

IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Провести опыт холостого хода:

- ко вторичной обмотке трансформатора подключить вольтметр V2, что соответствует рис. 3.1 .а;

- установить пределы приборов: Vl - 300В, V2 - 200В, А1 - 0,5А;

- с помощью регулятора Vр подать на вход трансформатора 220В ; результаты измерений свести в табл. 4.4. Используя методические указания, данные для выполнения опыта холостого хода, определить коэффициент трансформации (2.6.), ток холостого хода в процентах от номинального (2.7.), параметры намагничивающего контура (2.9.), коэффициент мощности (2.10.). Необходимые для расчета паспортные данные трансформатора представлены на лицевой панели блока ЭВ4с06. Результаты расчетов свести в табл. 4.4.

Таблица 4.4

ОПЫТ				РАСЧЕТ
					R0	X0	Z0		I0/I1н	
В А	А	Вт	В	град	Ом	Ом	Ом		%	-

2. Провести опыт короткого замыкания :

- регулятор напряжения Vp установить в нулевое положение ;

- ко вторичной обмотке трансформатора подключить амперметр А2, что соответствует рис. 3.1.в;

- установить пределы приборов: V1 — 30 В, А1 — 1 А, А2 —2 А;

- используя паспортные данные трансформатора, определить номинальный ток первичной обмотки трансформатора (2.8);

- с помощью регулятора Vр установить такое напряжение U_1K , при котором ток в первичной обмотке равен I_1k . Результаты измерений свести в табл. 4.5. Используя методические указания, данные для выполнения опыта короткого замыкания, определить напряжение короткого замыкания в процентах от номинального (2.11), параметры схемы замещения рис.2.1(6) по (2.12), коэффициент мощности (2.14). Результаты расчетов свести в табл. 4.5.

Таблица 4.5

ОПЫТ				РАСЧЕТ
U1k	I1k	Pk	I2		Zk	Xk	Rk	U1k/U1н
В	А	Вт	А	град.	Ом	Ом	Ом	%

3. Провести экспериментальное исследование трансформатора при нагрузке:

- собрать схему в соответствии с рис. 3.1 (с);

- установить пределы приборов: U₁ — 300 В, U₂ — 200 В,

A₁ —1A, А₂ —2 А',

- с помощью регулятора Vp подать напряжение 220 В;

- меняя сопротивление R_H с помощью ручки переменного сопротивления, снять

зависимость U₂ = f(I₂). Результаты измерений записаны в табл. 4.6. Используя

методические указания, данные для выполнения опыта нагруженного трансформатора, определить коэффициент мощности, потребляемой трансформатором из сети (2.15), коэффициент нагрузки трансформатора (2.16), сдвиг фаз между напряжением и током в нагрузке (2.17). Результаты расчетов свести в табл. 4.6.

Таблица 4.6

U2, В
I2, A

V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Электрическая схема исследуемого трансформатора, вычерченная в соответствии с ГОСТ.

2. Паспортные данные трансформатора.

3. Формулы для расчета.

4. Результаты измерений и расчетов (табл. 4.4,4.5,4.6).

5. Результаты расчета на МК-56 (табл. 2.3).

6. Внешние характеристики U2 = f(I₂) для активной нагрузки.

VI. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как устроен однофазной трансформатор?

2. Принцип действия однофазного трансформатора.

3. Как определяется коэффициент трансформирования?

4. Какой физический смысл сопротивления R0 и Z0 ?

5. По результатам каких опытов можно определить параметры полной схемы замещения трансформатора?

6. Какие потери мощности определяются из опыта холостого хода?

7. Какие потери мощности определяются из опыта короткого замыкания?

8. Какие параметры можно определить по результатам опыта холостого хода?

9. Какие параметры можно определить по результатам опыта короткого замыкания?

10. От чего зависит коэффициент полезного действия трансформатора?

11. Как проводится опыт холостого хода?

12. Как проводится опыт короткого замыкания?

13. Как влияет характер нагрузки на изменение вторичного напряжения трансформатора?

14. Как можно определить сдвиг фазы между напряжением и током в нагрузке?

15. Как определить изменение вторичного напряжения трансформатора?

16. Как определить сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора?

17. Как рассчитать к.п.д. трансформатора на МК-56 (калькулятор)?

Литература

1. Электротехника под ред. В. Г. Герасимова, -М.: Высшая школа, 1983.

2. Электротехника и основы электроники под ред. О. П. Глудкина, - M.: Высшая школа, 1993.