42525

Изучение однофазного трансформатора

Лабораторная работа

Физика

Принцип действия трансформатора основан на использовании явления электромагнитной индукции. Знак − указывает на то что ЭДС в первичной и вторичной обмотках трансформатора противоположены по фазе. Создаваемый этим током магнитный поток Ф0 концентрируется в магнитопроводе и пронизывает все обмотки трансформатора индуцируя в первичной обмотке ЭДС самоиндукции 27.

Русский

2013-10-30

118 KB

21 чел.

Лабораторная работа № 27

изучение однофазного трансформатора

Цель работы: изучить принцип действия и устройство однофазного трансформатора, определить коэффициент трансформации и КПД трансформатора.

Оборудование: трансформатор, вольтметр переменного тока на 250 В, вольтметр переменного тока на 150 В, амперметры переменного тока на 2 А.

27.1. Краткие теоретические сведения

Трансформатор − это прибор, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток такого же или иного напряжения посредством магнитного поля при сохранении частоты тока.

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, намотанных на общий замкнутый железный сердечник (рис. 27.1).

В повышающем трансформаторе первичная обмотка А1 состоит из небольшого числа витков относительно толстого провода, вторичная обмотка А2 − из большого числа витков более тонкого провода.

Принцип действия трансформатора основан на использовании явления электромагнитной индукции. Ток, проходящий через первичную обмотку А1, создаёт переменный поток магнитной индукции Ф0, который почти целиком сосредоточен внутри сердечника, и, следовательно, практически полностью пронизывает витки вторичной обмотки.

При разомкнутой вторичной обмотке первичная обмотка является частью цепи с некоторыми омическим и индуктивным сопротивлениями. Если омическое сопротивление очень мало по сравнению с индуктивным, его влиянием можно пренебречь. Тогда ЭДС 1, действующая в первичной обмотке, численно равна и обратна по знаку возникающей в ней ЭДС самоиндукции si:

В каждом витке первичной обмотки возникает ЭДС самоиндукции, , откуда  где − число витков первичной обмотки. Отсюда ЭДС, действующая в первичной обмотке,

                                          (27.1)

поскольку практически ЭДС находят, измеряя напряжение и на концах обмоток.

Так как этот же поток Ф пронизывает вторичную обмотку, то в каждом её витке возникает ЭДС индукции . Во всех витках вторичной обмотки возникает ЭДС

                                          (27.2)

Сравнивая (27.1) и (27.2), получаем, что ЭДС индукции, возникающая во вторичной обмотке,

                                         (27.3)

Таким образом, трансформатор повышает ЭДС во вторичной обмотке по сравнению с ЭДС первичной обмотки, если N2 > N1. Знак «−» указывает на то, что ЭДС в первичной и вторичной обмотках трансформатора противоположены по фазе.

Обычно у трансформаторов коэффициент самоиндукции первичной обмотки достаточно велик. Это приводит к тому, что при разомкнутых вторичных цепях в первичной цепи, в силу её большого индуктивного сопротивления, течёт малый ток I0 (ток холостого режима), отстающий от напряжения U1 почти на 2. Создаваемый этим током магнитный поток Ф0 концентрируется в магнитопроводе и пронизывает все обмотки трансформатора, индуцируя в первичной обмотке ЭДС самоиндукции (27.1).

Таким образом, при холостом ходе ЭДС самоиндукции в первичной обмотке практически компенсирует приложенное напряжение. Потребляемая трансформатором энергия расходуется только на компенсацию потерь энергии, которые удаётся снизить до минимума.

К основным видам потерь энергии в трансформаторе относят потери на ленц-джоулево тепло в обмотках («потери в меди»). Для их уменьшения провод для обмоток берётся с малым удельным сопротивлением (как правило, медный). Потери на рассеяние магнитного потока существенно снижают, применяя замкнутый ферромагнитный сердечник. Это, однако, приводит к появлению новых источников потерь, связанных с индуцированием в сердечнике токов Фуко и работой поля, идущей на перемагничивание сердечника («потери в железе»). Токи Фуко уменьшают, набирая сердечники трансформаторов из пластин, которые изолируют друг от друга, предельно увеличивая сопротивление в плоскости, перпендикулярной магнитному потоку. Для уменьшения потерь на перемагничивание сердечники изготовляют из магнитомягких сортов ферромагнитных материалов, например, сортов железа с минимальным количеством примесей, нелегированных электротехнических сталей или пермаллоя (железоникелевый сплав, содержащий от 36 % до 85 % никеля и железо). Таким образом, удаётся повысить КПД трансформатора до значений, превышающих 95 %.

Магнитный поток Ф0 пронизывает вторичные обмотки, индуцируя в них ЭДС пропорциональное числу витков (27.2).

Отношение напряжений в обмотках

                                       (27.4)

где k называют коэффициентом трансформации.

Векторы  определяют диаграмму холостого тока на рис. 27.2. При замыкании вторичной цепи в ней возникает ток I2, сдвинутый по фазе по отношению к , который создает магнитный поток , направленный навстречу потоку . Это приводит к уменьшению индуктивного сопротивления первичной катушки и к увеличению в ней тока I1. Одновременно растет и магнитный поток , создаваемый током первичной обмотки. Нарастание будет иметь место до тех пор, пока суммарный поток не примет значение близкое к первоначальному . Трансформатор саморегулируется, поддерживая магнитный поток в сердечнике постоянным.

При нормальной нагрузке трансформатора углы 1  и 2 невелики и мощность, потребляемая вторичной обмоткой приближается к величине, определяемой к.п.д. трансформатора, т.е.

                                       (27.5)

Отсюда следует, что чем меньше витков имеет вторичная обмотка, тем больший ток с неё можно взять. Соответственно, обычно и сечение проводов обмоток стараются рассчитывать под возможные значения тока в них: чем меньше витков, тем больше сечение провода и наоборот.

КПД трансформатора называется величина, показывающая отношение энергии (мощности), выделяемой на вторичной обмотке, к энергии (мощности), потребляемой первичной:

                              (27.6)

Коэффициент трансформации определяется при разомкнутой цепи вторичной обмотки, а КПД вычисляется только по данным для нагруженного трансформатора.

27.2. Порядок выполнения работы

Определение коэффициента трансформации

  1.  

Собрать цепь по схеме (рис. 27.3), подключив вольтметр на 250 В к первичной обмотке, а вольтметр на 150 В − к вторичной.

  1.  Подключить первичную обмотку к сети и измерить напряжения U1 и U2.
  2.  Результаты занести в таблицу. По формуле (27.4) рассчитать коэффициент трансформации.

Определение КПД трансформатора

  1.  

Собрать цепь по схеме (рис. 27.4), подсоединив во вторичную обмотку вольтметр на 150 В, амперметр на 2 А и ламповый реостат; в первичную обмотку − вольтметр на 250 В, амперметр на 2 А.

  1.  Подключив трансформатор к сети переменного тока, записать показания приборов, меняя нагрузку во вторичной обмотке.
  2.  Результаты измерений занести в таблицу. Пользуясь (27.6), рассчитать КПД трансформатора.
  3.  Определить коэффициент трансформации и КПД трансформатора в виртуальной измерительной схеме (рис. 27.5).

Контрольные вопросы и задания

  1.  Объяснить принцип работы трансформатора.
  2.  Чем отличается работа ненагруженного и нагруженного трансформаторов?
  3.  В каком соотношении находятся силы токов, текущих в первичной и вторичной обмотках трансформатора?
  4.  Объяснить векторные диаграммы нагруженного и ненагруженного трансформаторов.

[3, § 188; 6, § 19.1 − 19.5; 7, § 64, 65, 136; 9, c. 113]

186


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39953. Течение газа в соплах 182.5 KB
  В рамках этой модели течения невязкий газ и пограничный слой при отсутствии отрыва потока представляется возможным с достаточной точностью определить оптимальное сопло для заданных конструктивных условий габариты масса тяга. Основные недостатки сопел Лаваля связанные с их большой длинной массой и низкой эффективностью при перерасширении потока становятся особенно ощутимыми при больших степенях расширения сопла в этом случае размеры и масса сопла могут быть на порядок больше размеров и массы камеры сгорания а потери тяги...
39954. Одномерные течения несжимаемой жидкости. Ламинарное и турбулентное течения 344.5 KB
  При увеличении скорости воды картина изменялась струйка красителя сначала приобретала синусоидальную форму а дальнейшее увеличение скорости приводило к ее размыву что свидетельствовало о беспорядочном движении. Рейнольдс предположил что увеличение скорости потока приводит к возникновению какихто возмущений дестабилизирующих его структуру. Ускорение есть изменение скорости в единицу времени = u t. Одномерными называются течения в которых основные параметры потока зависят лишь от одной координаты направление которой совпадает с...
39955. Основы теории пограничного слоя 73.5 KB
  Основы теории пограничного слоя. Понятие пограничного слоя 8. Толщина пограничного слоя 8. Отрыв пограничного слоя.
39956. Основы теории подобия 362.5 KB
  Основы теории подобия План. На эти вопросы и отвечает теория подобия являющаяся основой современного физического эксперимента. В общем случае различают три вида подобия: геометрическое кинематическое и динамическое. Для площадей S и объемов V ; Применительно к физическим явлениям элементарные представления геометрического подобия расширяются и распространяются на все величины характеризующие данный процесс.
39957. Газодинамика как раздел механики сплошных сред 907.5 KB
  Краткий очерк развития механики жидкости и газа. Математический аппарат используемый в механике жидкости и газа [1. Газодинамика как раздел механики сплошных сред Многие машины и аппараты созданные к настоящему времени характеризуются перемещением газа или жидкости внутри их или перемещением самого аппарата в среде газа или жидкости. Целью курса Газодинамика является изучение явлений протекающих в газе и жидкости и закономерностей которым эти явления подчиняются.
39958. УРАВНЕНИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ ЕДИНИЧНОЙ СТРУЙКИ 401.5 KB
  Предельная скорость движения газа. Уравнение неразрывности Выведем основные уравнения газовой динамики для элементарной струйки газа поперечные размеры которой настолько малы что в каждом ее сечении можно считать постоянными все основные параметры потока: скорость давление температуру и плотность газа. Чтобы получить уравнение неразрывности рассмотрим стационарное установившееся движение элементарной струйки газа рис. Элементарная струйка Рассмотрим некоторый участок струйки между двумя нормальными к поверхности тока сечениями 1 и...
39959. Элементы гидродинамики 441 KB
  Cилы действующие в жидкости 3.1 – Элементарный параллелепипед в потоке жидкости Грани бесконечно малой частицы жидкости имеющей в начале движения форму прямого параллелепипеда с ребрами dx dy dz с течением времени могут скашиваться и растягиваться рис.8 представляет собой уравнение неразрывности жидкости.9 Здесь под плотностью жидкости понимается предел отношения массы частицы к ее объему 3.
39960. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ 81 KB
  ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ План лекции. Зависимость параметров потока в функции числа M. Зависимость параметров потока в функции скоростного коэффициента. Зависимость параметров потока в функции числа M.
39961. ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ 10.06 MB
  1 а е: Ft Н окружная сила на барабане ленточного или на звездочке цепного конвейера; V м с скорость движения ленты или цепи; Dб мм диаметр барабана; Zзв число зубьев тяговой звездочки; Рзв мм шаг тяговой цепи.2 Вид передачи Твердость зубьев Передаточное число Uрек Uпред Зубчатая цилиндрическая: тихоходная ступень во всех редукторах uт 350 НВ 40. Термообработка зубчатых колес редуктора улучшение твердость зубьев 350НВ. Первая группа колеса с твердостью поверхностей зубьев Н  350 НВ Применяются в слабо и...