Теоретическое введение

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 S_Н,

– 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 U_1Н. 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 I_1H. 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 U_1Н 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=P_м+Р_Э1.

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 = Р_м.

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 U_1К около 5 %от U_1Н, при котором в его обмотках возникают токи, равные номинальным I_1K=I_1H.

При опыте короткого замыкания вся мощность, потребляемая трансформатором, идет на нагрев обмоток трансформатора, т. е. равна электрическим потерям Р_Э в проводах обмоток трансформатора:

P_к = P_Э + P_м ≈ R₁I_1H² + R₂I_2H² + P_м.

В выражение для Р_к входят I_1H и I_2H – номинальные значения токов, так как опыт короткого замыкания проводится при номинальном значении тока I_1K=I_1H. Поэтому, с учетом того, что Р_м ≈ 0, мощность Р_К = Р_Э,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 R_K, X_K и Z_K – активное, реактивное индуктивное и полное сопротивления короткого замыкания трансформатора соответственно.

При опыте нагрузки трансформатора получают нагрузочные характеристики трансформатора – зависимости вторичного напряжения U₂, коэффициента мощности cosφ₁и коэффициента полезного действия η от тока нагрузки I₂при 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 /I_2H; Р_м – потери в магнитопроводе трансформатора (находят из опыта холостого хода); Р_Э – электрические потери в обмотках трансформатора (определяют из опыта короткого замыкания).

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с приборами, аппаратами и оборудованием стенда, используемыми при выполнении работы, и занести в отчет по лабораторной работе номинальные технические данные исследуемого трансформатора.

В работе исследуется однофазный трансформатор ТПП 280-220-50К, имеющий следующие характеристики:

· частота питающего напряжения 50 Гц;

· номинальное напряжение на первичной обмотке U_1Н = 220 В;

· номинальное напряжение на вторичной обмотке U_2Н = 21 В;

· номинальный ток первичной обмотки I_1Н = 0,42 А;

· номинальный ток вторичной обмотки I_2Н = 1,6 А;

· номинальная мощность P_НОМ = 72 Вт.

2. Провести опыт холостого хода трансформатора:

a) собрать цепь в соответствии со схемой на рис. 4, питание электрической цепи осуществить от регулируемого источника синусоидального напряжения;

b) установить напряжение на первичной обмотке трансформатора равным номинальному – U_1Н;

c) произвести однократное измерение тока I₀,мощности Р₀в первичной обмотке трансформатора и напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U₂₀ при холостом ходе. Результаты измерений записать в таблицу 1;

d) по результатам измерений, проведенных в опыте холостого хода определить:

· ток холостого хода в процентах от номинального I₁₀ % = (I_l0/I_lH)·100 %;

· коэффициент трансформации трансформатора n;

· коэффициент мощности трансформатора при холостом ходе cos φ₀;

· параметры намагничивающего контура трансформатора R₀, Z₀, X₀.

Таблица 1. Опыт холостого хода трансформатора

3. Провести опыт короткого замыкания трансформатора:

a) собрать электрическую цепь в соответствии со схемой на рис. 5;

b) опыт короткого замыкания трансформатора произвести при пониженном напряжении на первичной обмотке трансформатора, при котором ток в первичной обмотке I_1K=I_1H, поэтому напряжение, подводимое к первичной обмотке, должно изменяться от U_1K = 0 до 0,05·U_1Н;

c) произвести однократное измерение тока I_1K, мощности Р_K, напряжения U_1K на первичной обмотке и измерение тока I_2K во вторичной обмотке трансформатора при опыте короткого замыкания;

d) плавно изменяя напряжение на первичной обмотке трансформатора от нуля до значения, при котором токи I_1K=I_1H, записать значения измеряемых величин в таблицу 2;

e) по результатам измерений опыта короткого замыкания определить:

· напряжение короткого замыкания в процентах от номинального
U_1К %= (U_lK /U_lH)·100 %;

· электрические потери мощности в трансформаторе Р_Э в %;

· коэффициент мощности трансформатора cos φ_1K;

· параметры схемы замещения трансформатора R_K, Z_К, X_К.

Таблица 2. Опыт короткого замыкания трансформатора

4. Провести опыт нагрузки трансформатора:

a) собрать электрическую цепь в соответствии со схемой на рис. 6;

b) в качестве нагрузки к зажимам вторичной обмотки трансформатора подключить резистор с переменными сопротивлением, суммарное сопротивление которого рассчитать с учетом того, что ток во вторичной обмотке должен изменяться от I₂=0,1·I_2H до I₂=(1,2...1,25)·I_2H;

c) произвести многократное измерение тока I₁, мощности P₁, напряжения U₁ первичной обмотки и измерение тока I₂ и напряжения U₂вторичной обмотки;

d) установить на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U_1H и, изменяя сопротивление резистора во вторичной цепи, произвести пять измерений при различных токах нагрузки I₂ в указанном диапазоне от = 1до 5 А. При проведении опыта напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора U₁ поддерживать неизменным. Результаты измерений записать в таблицу 3.

e) по результатам измерений опыта нагрузки при различных токах нагрузки определить:

· КПД трансформатора η

· коэффициент мощности трансформатора cos φ₁

f) по данным испытаний построить в единой системе координат внешнюю U₂(I₂)и рабочие I₁(I₂), η(I₂),cosφ₁(I₂)характеристики трансформатора.

Таблица 3. Опыт нагрузки трансформатора

Контрольные вопросы

1.Укажите назначение трансформатора

2.Объясните устройство и принцип действия однофазного трансформатора

3. Расскажите, как и с какой целью проводится опыт холостого хода трансформатора

4. Объясните, почему коэффициент трансформации трансформатора определяется из опыта холостого хода

5. Почему потери мощности в магнитопроводе трансформатора не зависят от тока нагрузки?

6. Как и с какой целью проводится опыт короткого замыкания трансформатора?

7. Почему при опыте короткого замыкания можно пренебречь потерями мощности в магнитопроводе трансформатора?

8. Почему при изменении тока нагрузки во вторичной обмотке трансформатора изменяется ток и в первичной его обмотке?

9. Какое влияние оказывает характер нагрузки на внешнюю характеристику трансформатора?

10. Почему с возрастанием тока нагрузки энергетические показатели трансформатора вначале возрастают, а затем снижаются?