Указания к проведению монтажа цепей

Монтаж цепи должен проводиться в полном соответствии со схемой, приведенной в описании лабораторной работы.

Сначала следует собрать последовательную часть цепи, затем подключить вольтметры, обмотки напряжения ваттметров.

Следует избегать подключения к одному из зажимов большого числа соединительных проводников, размещая их, если это возможно, на других зажимах.

У ваттметров при непосредственном их подключении в цепь соединение между генераторными зажимами следует осуществлять на зажимах самого прибора.

Правила техники безопасности

К проведению лабораторных работ допускаются только студенты, знающие правила техники безопасности. Инструктаж по технике безопасности проводит преподаватель, что фиксируется в кафедральном журнале по ТБ.

При монтаже цепей используются только изолированные провода. Студенту категорически запрещается включать напряжение без проверки собранной цепи преподавателем.

Устранение ошибок в цепи, а также все присоединения, необходимые по ходу работы, производятся только при отключении напряжения. Повторное включение напряжения после этих присоединений допускается только после разрешения преподавателя.

По окончании работы напряжение у рабочего места немедленно отключается.

Смена перегоревших предохранителей производится лаборантом.

1. Основы теории

1.1. Трансформаторы

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной, первичной, системы переменного тока в другую, вторичную, той же частоты, имеющую, в общем случае, другие характеристики, в частности, другое напряжение и другой ток.

Впервые трансформатор был изготовлен в 1876 г. русским электротехником П.Н.Яблочковым для согласования источника электрической энергии и её приёмника (созданной им же группы газоразрядных ламп) по напряжению.

Трансформатор состоит из сердечника, набранного из листовой трансформаторной стали, и двух или более обмоток, связанных между собой электромагнитно, а в автотрансформаторах – также и электрически.

Трансформатор, имеющий две обмотки, называется двухобмоточным, трансформатор с тремя или более обмотками – соответственно, трёхобмоточным или многообмоточным. Обмоткой многофазного трансформатора называют совокупность всех фазных обмоток одинакового напряжения, соединенных определенным образом между собой. Обмотка, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной; обмотка, от которой энергия отводится, называется вторичной. Обмотка, присоединенная к сети более высокого напряжения, называется обмоткой высшего напряжения; обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения.

В соответствии с названиями обмоток все величины, относящиеся к первичной обмотке (напряжение, мощность, ток, сопротивление) тоже называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке - вторичными. Если вторичное напряжение ниже первичного, трансформатор называется понижающим, а если выше – повышающим.

В зависимости от условий охлаждения трансформаторы бывают масляные (погружаются в масло) и сухие.

Номинальным режимом работы трансформатора называется режим, указанный на заводском щитке трансформатора и характеризующийся номинальными значениями основных параметров.

Номинальной мощностью трансформатора называется мощность на зажимах вторичной обмотки, выраженная в вольт-амперах (ВА).

Номинальные первичное и вторичное напряжения указываются на щитке трансформатора. Номинальное вторичное напряжение представляет собой напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) и при номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки.

Номинальными токами трансформатора называются токи, вычисляемые по соответствующим значениям номинальной мощности и номинальных напряжений.

В настоящее время наибольшее применение получили следующие виды трансформаторов:

1. Силовые – для передачи и распределения энергии.

2. Автотрансформаторы – для преобразования напряжений в некоторых относительно широких пределах, для связи энергосистем различных напряжений, для пуска двигателей переменного тока и т.п.

3. Для питания устройств со статическими преобразователями при преобразовании переменного тока в постоянный и обратном преобразовании.

4. Испытательные – для производства испытаний под высоким и сверхвысоким напряжением.

5. Силовые специального назначения: сварочные, печные и т.п.

6. Измерительные – для измерения тока и напряжения при включении в схемы измерительных приборов.

7. Радиотрансформаторы (как правило, высокочастотные) – применяются в радиотехнике.

Если первичное напряжение U₁ меньше вторичного U₂ , трансформатор называется повышающим; если U₁ >U₂, он называется понижающим.

Для трансформатора отношения амплитудных, мгновенных и действующих значений первичной и вторичной ЭДС равны отношению количеств витков первичнойω₁ и вторичной ω₂ обмоток:

E_1m/ E_2m= e₁ /e₂ = E₁ / E₂= ω₁/ ω₂ = k₁₂ , (1.1)

где k₁₂ - коэффициент трансформации.

Распределение мощности трансформатора во время работы отражается энергетической диаграммой (рис. 1.1). Мощность Р₁подводится к первичной обмотке; в процессе работы трансформатора возникают потери мощности на нагревание проводников (меди) первичной обмотки Р_м1, потери в стали на гистерезис и вихревые токи Р_с и потери на нагревание меди вторичной обмотки Р_м2 . Оставшаяся мощность Р₂ передается во внешнюю цепь:

Р₂ =Р₁₂ -Р_м2 = Р₁ - Р_м1 – Р_с – Р_м2 . (1.2)

Принцип действия трансформатора рассмотрим на примере однофазного трансформатора, представляющего собой магнитопровод с двумя обмотками (рис.1.2). При подключении первичной обмотки к источнику синусоидального напряжения G (генератор) u = U_msin( ωt + φ_u) по обмотке течет ток i₁ = I_1msin( ωt + φ_i), создающий намагничивающую силу i₁ ω₁, под действием которой возникает магнитный поток:

Ф = Ф_msin( ωt + φ_ф).

Рис.1.1

Рис.1.2

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке индуцируется ЭДС:

(1.3)

Из формулы (1.3) следует, что ЭДС е₂ отстает от магнитного потока на угол 90^о, а Е_2m = w₂Фω.

Действующее значение ЭДС

где f – частота напряжения сети; Е₂ =

Аналогичная ЭДС , где ƒ- частота напряжения сети; Е₂=44,4ω₂Ф_mƒ. Аналогичная ЭДС Е₁=44,4ω₁Ф_mƒ возникает и в первичной цепи, так как магнитный поток пронизывает и витки первичной обмотки.

Как было отмечено выше, отношение Е₁ / Е₂определяет коэффициент трансформации k₁₂: если k₁₂> 1, т.е. Е₁>E₂ , трансформатор называется понижающим; если k₁₂< 1, т.е. Е₁<E₂ ,трансформатор называется повышающим; если k₁₂ = 1, т.е. Е₁ = Е₂ , трансформатор называется разделительным.

Трансформатор может работать в трех режимах: холостого хода (ХХ), когда вторичная обмотка разомкнута; короткого замыкания (КЗ), когда вторичная обмотка замкнута накоротко; рабочем, когда вторичная обмотка замкнута на нагрузку (R_н на рис.2.2).

Режим холостого хода. В этом режиме работы трансформатора

I₂ = 0, U₂ = E₂ , I₁₀ = U₁ / Z₁₀ , Z₁₀ = R₁₀ +jX₁₀ . ТокI₁₀составляет (3-10)% номинального тока I_1н трансформатора. Потери мощности в первичной обмотке при этом составляют не более 1% номинальной мощности, поэтому их принимают равными нулю, так же как и во вторичной обмотке, - Р₁₀ →0, Р₂ = 0. Потери мощности наблюдаются только в стали магнитопровода и связаны с перемагничиванием (гистерезисом) и вихревыми токами: Р₁₀=Р_ст=Р_r+Р_в.

Векторная диаграмма работы трансформатора в режиме ХХ (рис.1.3) строится на основании уравнения комплексного напряжения первичной обмотки:

U₁= -E₁ + I₁₀ (R₁ + jX₁). (1.4)

На рисунке 1.3 I_10pи I_10а - реактивная и активная составляющие тока первичной обмотки; α – угол магнитного запаздывания.

Режим короткого замыкания. Это – аварийный режим работы трансформатора, так как при U₂ = 0 иZ_н = 0 ток в первичной обмотке намного превышает номинальный ток – I_1ка >>I_1н .Этот режим работы используют только в качестве опыта для определения первичной и вторичной обмоток при U_1ка <<U_1н .

Рис. 1.3

Допустимое превышение напряжения КЗ первичной обмотки над номинальным задается в паспортных данных трансформатора и составляет (2-2,5)% для воздушных трансформаторов и 5% для масляных. Так как

т.е. потери в стали стремятся к нулю. Мощность при КЗ рассеивается только в меди обмоток трансформатора и идет на их нагрев:

Векторная диаграмма работы трансформатора в режиме КЗ (рис.1.4) строится в соответствии с уравнением:

(1.5)

Рис. 1.4

Номинальный режим. Этот режим работы трансформатора характеризуется зависимостями вторичного напряжения U₂ от тока во вторичной обмоткеI₂ и КПД трансформатора от коэффициента загрузки β. Зависимость U₂ ( I₂) называется нагрузочной (внешней) характеристикой трансформатора (рис.1.5), а режимы емкостной (cosφ<1), активной (cosφ=1) и индуктивной (cosφ<1) нагрузки обозначены, соответственно цифрами 1, 2 и 3.

Рис.1.5

КПД трансформатора определяется отношением выходной Р₂ мощности ко входной Р₁:

где β = I₂ / I_2н– коэффициент загрузки трансформатора; S – полная мощность трансформатора.

Оптимальное значение коэффициента загрузки β = (Р_с/Р_мн)^0,5 , где Р_мн – суммарные потери в меди при номинальной нагрузке, т.е. когда постоянные потери (потери в стали) равны переменным (потери в меди).

Для расчета мощности трансформатора в реальных условиях, когда мощность и нагрузка изменяются, используются рабочие характеристики (рис.1.6). Из графика видно, что максимальный КПД соответствует равенству Р_м = Р_с и некоторому (оптимальному или номинальному) значению коэффициента загрузки, составляющему приблизительно β_н=0,6.

Рис.1.6

Кратко рассмотрим особенности некоторых классов трансформаторов.