Лабораторная работа №3 Изучение однофазного трансформатора
Цель работы
1.1 Изучить устройство и принцип действия однофазного трансформа-тора.
1.2 Научиться измерять потери в стали при выполнении опыта холостого хода и потери в меди при выполнении опыта короткого замыкания трансформатора.
1.3 Научиться экспериментально определять коэффициент трансформа-ции, КПД трансформатора при различной нагрузке.
Основные теоретические положения
Трансформатор был изобретен в 1876 году знаменитым русским электро-техником П.Н. Яблочковым и в дальнейшем усовершенствован русским изобретателем П.Ф. Усагиным.
Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, преобра-зующий посредством магнитного поля электрическую энергию переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте (рисунок 1).
Рисунок 1 – Однофазный трансформатор
По числу фаз трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные трансформаторы предназначены в основном для бытовых нужд – трансформаторы радиотелеаппаратуры, бытовых машин и т.д. Трехфазные трансформаторы – это силовые трансформаторы, используемые в системах энергоснабжения для увеличения пропускной способности линий электропередачи и уменьшения потерь мощности в проводах.
По числу обмоток трансформаторы делят на двухобмоточные и многообмоточные.
Трансформаторы могут быть понижающими (напряжение вторичной обмотки ниже напряжения первичной, сетевой обмотки), повышающими (напряжение вторичной обмотки выше напряжения первичной обмотки) и разделительными (напряжение вторичной обмотки равно напряжению первичной обмотки).
|
|
|
Трансформатор состоит из двух или большего числа взаимно неподвижных и электрически не связанных между собой обмоток, располагаемых на ферромагнитном сердечнике.
Сердечник (магнитопровод) трансформатора увеличивает магнитный поток и усиливает магнитную связь между обмотками.
Для уменьшения потерь мощности от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердечник собирают из отдельных пластин электротехнической стали (рисунок 2). Толщина пластин 0,35 – 0,5 мм, их изолируют друг от друга путем покрытия изолирующими пленками. Электротехническая сталь характеризуется узкой петлей гистерезиса и большим электрическим сопротивлением, что уменьшает потери мощности в трансформаторе на гистерезис.
Иногда в трансформаторах сердечник может отсутствовать. Такие трансформаторы называются воздушными. Они применяются в специальных случаях при преобразовании переменных токов высокой частоты.
|
|
|
Рисунок 2 – Пластина сердечника трансформатора
Обмотки трансформаторов выполняются в виде катушек из изолированных медных или алюминиевых проводов круглого или прямоугольного сечения. Они имеют между собой магнитную связь, осуществляемую магнитным полем.
Обмотка трансформатора, присоединяемая к источнику электрической энергии, называется первичной и имеет W1 витков; обмотка, к которой подключается потребитель электрической энергии, называется вторичной и имеет W2 витков.
Обмотки трансформатора рассчитываются для подключения к сетям с разными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением – обмоткой низшего напряжения (НН).
Действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмотки определяют по формулам:
, (1)
(2)
Отношение ЭДС обмоток, равное отношению чисел витков, называют коэффициентом трансформации:
(3)
Коэффициент нагрузки трансформатора:
|
|
|
(4)
Полная мощность, потребляемая однофазным трансформатором при номинальной нагрузке:
(5)
Номинальный ток первичной и вторичной обмоток однофазного трансформатора:
I1Н = 
(6)
I2Н = 
(7)
Опыты холостого хода и короткого замыкания характеризуют работу силового трансформатора в предельных режимах нагрузки: при отсутствии нагрузки (I2=0) и при номинальном токе вторичной обмотки (I2=I2н).
Опыт холостого хода проводится при подведении к первичной обмотке номинального напряжения, а цепь вторичной обмотки разомкнута (I2 = 0).
Опыт холостого хода проводят для экспериментального определения потерь холостого хода – Р0, тока холостого хода – I10, коэффициента трансформации – k, а также параметров схемы замещения.
Первичное напряжение создает в первичной обмотке ток холостого хода I10. У трансформаторов ток холостого хода составляет 1-10% от первичного номинального тока при полной загрузке трансформатора.
Основные потери в трансформаторе имеют две составляющие электрические потери в обмотках Рмеди и магнитные потери в сердечнике Рстали.
|
|
|
При холостом ходе трансформатор потребляет из сети активную мощность Р0. Ток холостого хода мал, величина, определяющая потери в меди первичной обмотки 
, ничтожно мала, потери в меди вторичной обмотки отсутствуют, так как ток в ней I20 равен нулю. Поэтому электрические потери в обмотках трансформатора при холостом ходе можно принять равными нулю Рмеди= 0. При холостом ходе в трансформаторе имеются только магнитные потери в сердечнике. Потери в сердечнике при ƒ=const пропорциональны В2, а так как 
, 
.
Опыт холостого хода – это один из двух обязательных контрольных опытов при заводском испытании готового трансформатора, он используется как элемент технического контроля.
При проведении опыта короткого замыкания напряжение U1 на первичной обмотке трансформатора плавно повышается от нуля до тех пор, пока токи I1 и I2 обмоток трансформатора станут равными номинальным токам.
Напряжение короткого замыкания составляет 5-10% у трансформаторов высокого напряжения и 3-5% у трансформаторов низкого напряжения от номинального напряжения первичной обмотки. Эта величина является важнейшей характеристикой силовых трансформаторов. Напряжение короткого замыкания обычно приводится в процентах:
(8)
На основании величины напряжения короткого замыкания определяются изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке.
Мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, идет на покрытие электрических потерь в проводниках обмоток, так как потери в сердечнике будут незначительными.
Опыт короткого замыкания имеет важное практическое значение, так как из него определяются потери мощности в обмотках, напряжение короткого замыкания, параметры схемы замещения.
Опыт короткого замыкания может служить контрольным опытом для определения коэффициента трансформации. Величину напряжения короткого замыкания uк используют при расчете тока короткого замыкания трансформатора в условиях эксплуатации.
Коротким замыканием называется режим работы трансформатора, при котором первичная обмотка подсоединена к сети, а выводы вторичной обмоткизамкнуты накоротко или на очень малое сопротивление.
Короткое замыкание при номинальном первичном напряжении является аварийным режимом, при котором токи в обмотках достигнут величин, превышающих номинальные в 10-15 раз. Такие токи опасны для трансформатора, так как внутри трансформатора выделяется большое количество тепла, что может вызвать его разрушение. Возможны также случаи, когда вследствие повреждения межвитковой изоляции накоротко замыкается один или несколько витков обмотки. Подобные замыкания особенно опасны, так как ток в этих витках почти во столько раз больше тока при коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки, во сколько раз полное число витков W1 первичной обмотки больше числа поврежденных витков. В результате интенсивного нагрева медь короткозамкнутых витков начинает плавиться, а изоляция обугливается.
Рабочим режимом трансформатора называется работа трансформатора при замкнутой вторичной обмотке на нагрузку.
КПД трансформатора, как и всякой другой машины, определяется отно-шением полезной мощности ко всей подведенной мощности. Он зависит от величины и характера нагрузки. Максимальный КПД трансформатора достигается при равенстве потерь в обмотках и в сердечнике трансформатора. Силовые трансформаторы обычно работают при средней нагрузке S = (0,5 – 0,7) SН.
На рисунке 3 представлена зависимость КПД трансформатора от коэффициента нагрузки 
.
Рисунок 3 – Зависимость КПД трансформатора от коэффициента нагрузки
3 Объект и средства исследования
Исследование однофазного трансформатора проводится на лабораторном стенде. Питание стенда осуществляется от сети переменного тока через регулирующий лабораторный автотрансформатор ЛАТР. Ток измеряется амперметром, напряжение - вольтметром, потери мощности - ваттметром.
Номинальные данные исследуемого трансформатора: номинальная мощность Sн=20 ВА, напряжение первичной обмотки U1н=220 В, напряжение вторичной обмотки U2н =48 В, потери мощности в стали Р0=2,5 Вт, потери мощности в меди Рк=1,5 Вт. Процентное значение тока холостого хода i0=20%, процентное значение напряжения короткого замыкания uк=5,5%.
4 Методические указания по выполнению работы и обработке результатов эксперимента
4.1 Ознакомиться с электроизмерительными приборами и оборудованием стенда, используемыми при выполнении лабораторной работы.
4.2 В соответствии со схемой (рисунок 4), собрать электрическую цепь для проведения опыта холостого хода трансформатора и показать ее для проверки преподавателю.
4.3 После проверки подключить собранную цепь в сеть, ЛАТРом плавно подать на первичную обмотку номинальное напряжение U1н, произвести измерения, результаты записать в таблицу 1.
4.4 По результатам измерений, проведенных в опыте холостого хода, вычислить: коэффициент трансформации k, коэффициент мощности 
, параметры намагничивающего контура, процентное значение тока холостого хода i0 по нижеследующим формулам:
, (9)
, (10)
, (11)
, (12)
, (13)
(14)
4.5 В соответствии со схемой (рисунок 5), собрать электрическую цепь для проведения опыта короткого замыкания трансформатора и показать ее для проверки преподавателю.
4.6 После проверки подключить электрическую цепь в сеть. ЛАТРом плавно подать на первичную обмотку напряжение U1к, при котором токи в обмотках достигнут номинальных значений I1к=I1н, I2к=I2н. Произвести измерения, результаты записать в таблицу 2.
4.7 По результатам измерений опыта короткого замыкания вычислить: сопротивления короткого замыкания, коэффициент мощности cos 
, активные сопротивления обмоток r1, r2, реактивные сопротивления обмоток Х1, Х2, аварийный ток короткого замыкания 
, процентное значение напряжения короткого замыкания uк по нижеследующим формулам:
, (15)
, (16)
, (17)
, (18)
, (19)
, (20)
, (21)
, (22)
(23)
4.8 В соответствии со схемой (рисунок 6), собрать электрическую цепь для проведения опыта нагрузки исследуемого трансформатора. В качестве нагрузки к зажимам вторичной обмотки подключить реостат (cos 
). Показать собранную цепь для проверки преподавателю.
4.9 После проверки подключить электрическую цепь в сеть, установить ЛАТРом на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U1н. Изменяя сопротивление реостата, произвести измерения: тока в первичной обмотке I1, напряжения на вторичной обмотке U2 и потребляемой мощности Р1 при различных токах нагрузки I2. При проведении опыта напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора не изменять. Результаты измерений записать в таблицу 3.
4.10 По результатам измерений опыта нагрузки определить: коэффициент мощности cos 
, коэффициент нагрузки трансформатора 
, активную мощность потребителя электроэнергии Р2, коэффициент изменения напряжения на вторичной обмотке 
, КПД по нижеследующим формулам:
, (24)
, (25)
Р2=U2 I2 cos 
, (26)
, (27)
(28)
4.11 По расчетным и измеренным данным испытаний построить внешнюю характеристику трансформатора U2=ƒ(I2) и зависимость КПД трансформатора от коэффициента нагрузки 
=ƒ( ).
Таблица 1 – Результаты измерений опыта холостого хода
трансформатора
| Измеренные величины | Расчетные величины | ||||||||
| U 10 , В | U 20 , В | P 0 , В m | I 10 , А | k - | r0 , Ом | Z 0 , Ом | X 0 , Ом | cosφ 0 | i 0 , % |
| 220 | 2,5 | ||||||||
Таблица 2 – Результаты измерений опыта короткого замыкания
трансформатора
| Измеренные величины | Расчетные величины | |||||||||||||||||||
| U1 к , В | I1 н , А | I2 н , А | PK , В m | r к , Ом | Z к , Ом | X к , Ом | r 1 , Ом | X1 , Ом | r2 , Ом | X2 , Ом | cosφ1 к | u к , % | I1 к , А | |||||||
| 0,09 | 0,42 | 1,5 | ||||||||||||||||||
Таблица 3 – Результаты измерений опыта работы трансформатора
под нагрузкой
| Номер измерений | Измеренные величины | Расчетные величины | ||||||||
| U 1 , В | U 2 , В | P 1 , В m | I 1 , А | I 2 , А | β | γ | η, % | со s φ1 | P 2 , В m | |
| 1 | 220 | 0,1 | ||||||||
| 2 | 220 | 0,2 | ||||||||
| 3 | 220 | 0,3 | ||||||||
| 4 | 220 | 0,4 | ||||||||
Рисунок 4 – Электрическая схема для проведения опыта холостого хода
исследуемого трансформатора
Рисунок 5 – Электрическая схема для проведения опыта короткого
замыкания исследуемого трансформатора
Рисунок 6 – Электрическая схема для проведения опыта нагрузки
исследуемого трансформатора
Выводы
Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 1581; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!