Лабораторная работа «исследование однофазного трансформатора»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с устройством, характеристиками и методами исследования однофазного трансформатора.
Теоретическое введение
Трансформатор состоит из стального магнитопровода, собранного из тонких стальных листов, изолированных друг от друга с целью понижения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи.
На матнитопроводе однофазного трансформатора (рис. 1) расположены две обмотки, выполненные из изолированного провода - первичная и вторичная.
К первичной обмотке подводится питающее напряжение U1. Со вторичной обмотки снимается напряжение U2, которое подводится к потребителю электрической энергии Основными рабочими характеристиками трансформатора являются:
– номинальное первичное напряжение U1,
– номинальное вторичное напряжение U2,
– номинальный первичный ток I1,
– номинальный вторичный ток I2,
– номинальный коэффициент трансформации n,
– номинальная полная мощность SН,
– коэффициент мощности cosφ,
– коэффициент полезного действия η.
Для определения характеристик трансформатора проводят опыты холостого хода и короткого замыкания.
При опыте холостого хода к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение, равное номинальному его значению U1Н. Вторичная обмотка трансформатора при этом разомкнута и ток в ней равен нулю (I2=0), в то время как в первичной обмотке трансформатора будет ток холостого хода I10, значение которого обычно невелико и составляет порядка 3-10 % от номинального тока первичной обмотки I1H. С увеличением номинальной мощности трансформатора относительное значение тока холостого хода снижается.
Воспользовавшись вторым законом Кирхгофа для первичной и вторичной цепей трансформатора в режиме холостого хода, можно получить уравнения электрического равновесия:
,
где:
.
Пренебрегая влиянием падения напряжения на первичной обмотке трансформатора I10∙Z1 ввиду его небольшого значения по сравнению с E1, коэффициент трансформации приближенно можно определить по показаниям приборов при опыте холостого хода как отношение первичного напряжения U1Н ко вторичному напряжению U20:
.
Активная мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода P0, затрачивается на потери мощности в магнитопроводе и электрические потери мощности в первичной обмотке:
P0=Pм+РЭ1.
Так как активное сопротивление первичной обмотки R1, как и ток холостого хода I0 трансформатора, обычно незначительно, то электрические потери в этой обмотке оказываются очень небольшими и ими можно пренебречь. В результате этого можно принять, что мощность, потребляемая трансформатором в опыте холостого хода и измеряемая ваттметром, расходуется на потери в магнитопроводе, обусловленные гистерезисом и вихревыми токами т. е. Р0 = Рм.
Опыт короткого замыкания проводится в процессе исследований трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток и параметров упрощенной схемы замещения трансформатора. Этот опыт проводится при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора. При этом напряжение на вторичной обмотке U2 = 0.
При проведении опыта короткого замыкания трансформатора, в отличие от опасного режима короткого замыкания, возникающего в аварийных условиях самопроизвольно, к первичной обмотке трансформатора подводится малое напряжение U1К около 5 % от U1Н, при котором в его обмотках возникают токи, равные номинальным I1K=I1H.
При опыте короткого замыкания вся мощность, потребляемая трансформатором, идет на нагрев обмоток трансформатора, т. е. равна электрическим потерям РЭ в проводах обмоток трансформатора:
Pк = PЭ + Pм ≈ R1I1H2 + R2I2H2 + Pм.
В выражение для Рк входят I1H и I2H – номинальные значения токов, так как опыт короткого замыкания проводится при номинальном значении тока I1K=I1H. Поэтому, с учетом того, что Рм ≈ 0, мощность РК = РЭ, т.е. равна потерям мощности в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке.
В соответствии с вышеизложенным, измерив напряжение, ток и активную мощность, при опыте короткого замыкания, можно определить параметры упрощенной схемы замещения трансформатора при коротком замыкании (рис. 2).
,
где RK, XK и ZK – активное, реактивное индуктивное и полное сопротивления короткого замыкания трансформатора соответственно.
При опыте нагрузки трансформатора получают нагрузочные характеристики трансформатора – зависимости вторичного напряжения U2, коэффициента мощности cosφ1 и коэффициента полезного действия η от тока нагрузки I2 при cosφ2 = const. Характер этих зависимостей представлен на рис. 3
|
|
Рис. 2. Схема замещения трансформатора |
Рис. 3. Нагрузочные характеристики трансформатора |
|
|
Зависимость U2(I2) напряжения на зажимах вторичной обмотки от тока нагрузки является внешней характеристикой трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора по отношению к потребителю электроэнергии является источником энергии, поэтому направление тока во вторичной обмотке (см. рис. 1) совпадает с направлением ЭДС Е2 в этой обмотке.
На основании второго закона Кирхгофа для вторичной цепи получим уравнение для внешней характеристики трансформатора
.
Из полученного выражения следует, что изменение тока нагрузки трансформатора приводит к изменению напряжения на зажимах его вторичной обмотки.
Коэффициент полезного действия трансформатора представляет собой отношение полезной мощности к мощности, потребляемой им из сети:
,
где P2 = U2I2, β = I2 /I2H; Рм – потери в магнитопроводе трансформатора (находят из опыта холостого хода); РЭ – электрические потери в обмотках трансформатора (определяют из опыта короткого замыкания).