Поясните понятия: активная мощность, полная мощность, реактивная мощность, коэффициент мощности. Какой необходимо выбирать коэффициент мощности, и как этого можно добиться?
Поясните порядок построения векторной диаграммы для резистора, катушки индуктивности, конденсатора в цепи лабораторной работы.
Как по векторной диаграмме определить фазовый сдвиг между напряжением на зажимах цепи и протекающим в цепи током?
Расскажите про треугольник сопротивлений, напряжений и мощностей на примере цепи лабораторной работы, как они строятся и чем отличаются от векторных диаграмм напряжений и токов?
Запишите условие резонанса напряжений для исследуемой цепи.
Почему при резонансе напряжений фазовый сдвиг между напряжением и током на зажимах цепи равен нулю?
Почему фазовый сдвиг между напряжением и током при частоте ниже частоты резонанса является отрицательным, а при частоте выше частоты резонанса – положительным.
Поясните, почему возникают перенапряжения в цепи в режиме резонанса.
Расскажите, что вы знаете о резонансе токов и условиях его возникновения, роли резонанса в электротехнике.
Поясните полученные в работе построенные графики, а также сделанные вами выводы к ним.
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ
ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
цель работы: изучить устройство и принцип действия трансформатора; исследовать трансформатор в режимах холостого хода, короткого замыкания и при работе под нагрузкой; построить основные характеристики трансформатора.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Назначение и устройство трансформаторов
Трансформатор - это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.
Трансформаторы различают:
а) по назначению:
силовые - используются в системах электроснабжения;
автотрансформаторы - применяются в системах электроснабжения, для пуска мощных двигателей, для регулирования напряжения на зажимах приемников;
измерительные - используются в качестве элементов измерительных устройств;
специальные - сварочные, печные, радио и т.п.
б) по количеству фаз – однофазные и многофазные (рис. 3.1).
Рассмотрим устройство силового трансформатора. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника (магнитопровода) и обмоток (рис. 3.1). Вертикальные части сердечника, вокруг которых размещаются обмотки, называются стержнями, а горизонтальные - ярмами. На рис. 3.1 представлены различные конструкции магнитных систем трансформаторов.
а) в)
Рис. 3. 1. Магнитные системы трансформаторов:
а) стержневые (однофазные и трехфазные),
б) броневые, в) тороидальные
1 – стержень; 2 – ярмо; 3 – первичная и 4 – вторичная обмотки;
5 – тороидальный магнитопровод
Для уменьшения потерь энергий от вихревых токов сердечник набирается из отдельных, изолированных друг от друга лаковой пленкой, листов электротехнической стали (рис. 3.2, 3.3).
а) б)
Рис. 3.2
а) формы сечения стержней трансформаторов,
б) конструкция ленточных магнитопроводов.
С целью уменьшения величины воздушных зазоров он собирается «внахлестку» (шихтованием). На рис. 3.3 показана схема сборки шихтованного магнитопровода.
Рис. 3.3
Обмотки трансформатора выполняются из медного изолированного провода. Ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения (НН), ее охватывает обмотка высшего напряжения (ВН) (рис. 3.1).
На рис. 3.4 показаны основные условные графические обозначения однофазного (1, 2, 3) и трехфазного (4, 5, 6) трансформаторов.
Рис. 3.4
Обмотку, подключенную к источнику (сети), называют первичной и все величины, относящиеся к ней, снабжают индексом 1 (U1, I1, P1 и т.д.), а обмотку, к которой подключают приемники, называют вторичной и все величины, относящиеся к ней, снабжают индексом 2 (U2, I2, P2 и т.д.). Начала и концы обмоток ВН и НН обозначают соответственно буквами А-X и а-x (рис. 3.5).
Рис. 3.5
Принцип действия трансформатора
Рассмотрим принцип действия однофазного силового трансформатора. Напряжение u1, подведенное к первичной обмотке (рис. 3.5), вызывает в ней ток i1, создающий МДС w1i1, которая возбуждает переменный магнитный поток Ф0. Этот поток разделяется на два потока: основной магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу и пронизывающий витки обеих обмоток, и магнитный поток рассеяния первичной обмотки ФР1, который замыкается частично по сердечнику, частично по воздуху и сцеплен только с витками первичной обмотки. В дальнейшем потоком рассеяния ФР1 пренебрегаем в силу его небольшого значения.
Основной магнитный поток Ф индуцирует в обмотках соответственно ЭДС самоиндукции e1 ЭДС индукции e2:
,
,
где w1 и w2 - числа витков первичной и вторичной обмоток.
Действующие значения этих ЭДС определяются по формулам
Е1=4,44 w1f Фm, Е2=4,44 w2f Фm,
где Фm - амплитудное (максимальное) значение основного магнитного потока.
Отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки называются коэффициентом трансформации трансформатора и обозначается буквой k. Считая первичную обмотку обмоткой ВН а вторичную обмотку обмоткой НН, получим
.
Так как во вторичной обмотке наводится ЭДС e2, то она становится источником питания и к ней можно присоединить приемники электрической энергии. При подключении ко вторичной обмотке трансформатора нагрузки, в ней возникает ток i2, создающий МДС w2i2, которая возбуждает магнитный поток Ф2, направленный навстречу магнитному потоку первичной обмотки.
Трансформатор сконструирован так, что основной поток не зависит от режима работы трансформатора и остается неизменным, т.е. при увеличении потока Ф2, поток первичной обмотки увеличивается, стремясь скомпенсировать размагничивающее действие потока вторичной обмотки, при этом возрастает ток i1.
Уравнение
является уравнением магнитного состояния трансформатора, записанным для мгновенных значений МДС, где i1X- ток холостого хода первичной обмотки трансформатора.
В комплексной форме это уравнение имеет вид:
.
Помимо уравнения магнитного состояния можно записать уравнения электрического состояния. Согласно второму закону Кирхгофа, записанному в комплексной форме для схем замещения первичной и вторичной обмоток трансформатора (рис.3.6) имеем:
,
,
где R1, X1 и R2, X2 - соответственно активные и реактивные сопротивления первичной и вторичной обмоток.
Рис. 3.6
Уравнения магнитного и электрического состояния называются основными уравнениями трансформатора, так как они описывают все процессы, происходящие в нем.
Режимы работы трансформатора Режим холостого хода
Под холостым ходом трансформатора понимают такой режим его работы, при котором к зажимам первичной обмотки подводится напряжение, а вторичная обмотка разомкнута, при этом I2=0. При выполнении опыта используется схема рис. 3.7. Синусоидальное напряжение источника питания U1=U1Н и измеряют I1X, P1X (cosφ1X), U2X.
По данным этого опыта определяют коэффициент трансформации k; номинальный ток холостого хода i1X; мощность потерь холостого хода P1X, равную мощности потерь в магнитопроводе PC. Кроме того, данные этого опыта используют для расчета характеристики трансформатора η=f(P2).
Рис. 3.7
При холостом ходе I2=0 и I1X<<I1Н, поэтому имеем: U1≈E1 и U2X=E2. Следовательно,
.
При холостом ходе полезная мощность трансформатора P2=0, поэтому мощность Р1X, потребляемая из сети, полностью идет на возмещение потерь
,
где РC - мощность потерь в стали сердечника от гистерезиса и вихревых токов; РМ1 - мощность потерь в меди первичной обмотки; φ1X - угол сдвига фаз между U1 и I1X.
Так как ток холостого хода I1X
очень мал, то мощность РМ1 =
незначительна и ею можно пренебречь. У
трансформаторов мощностью от нескольких
десятков до нескольких сотен вольт-ампер
I1X=(0,05
– 0,1)IH,
а мощностью от нескольких киловольт-ампер
и выше I1Х=(0,1 – 0,2)IH
и даже меньше. Следовательно, для
трансформатора
.
По значениям I1X и Р1Х судят о качестве стали сердечника и качестве его сборки.