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

23 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

77375. Изучение социальной тревожности у различных групп пользователей сети Интернет 391 KB
  Провести теоретический анализ работ, посвященных социальной тревожности и проблемам, связанным с использованием сети Интернет и онлайн-игр. Выделить и описать группы пользователей сети Интернет и виды сетевой активности. Выявить факторы, связанные с проявлением высокой социальной тревожности. Подобрать методически инструментарий, позволяющий определить уровень социальной тревожности. Провести анализ различий в проявлении социальной тревожности между респондентами из различных групп.
77376. О подсистеме истории в среде научной визуализации SharpEye 48.5 KB
  Обсуждаются пути реализации подсистемы редактируемой истории в возможности которой должны входить функции отката и повтора манипуляций проделанных пользователем сохранение и восстановлении подобранного вида сцены. Ключевые слова: научная визуализация система визуализации подключаемые внешние модули редактируемая истории откат повтор действий Введение В течение последних лет авторы разрабатывают среду ShrpEye конструктор систем научной визуализации [34]. Соответственно система должна предоставлять пользователю функционал...
77377. Функциональные возможности среды-конструктора систем научной визуализации SharpEye 38.5 KB
  Существующие системы научной визуализации можно разделить на три группы: универсальные системы (VIZIT, ParaView), системы, специализированные для некоторого класса задач (IVS3D, Venus, VolVis); и системы, специализированные для конкретной задачи. Недостатки первых двух групп – сложность в освоении, неизменность встроенных алгоритмов представления или высокая сложность их модификации.
77378. СИСТЕМА СОБЫТИЙНО-УПРАВЛЯЕМОЙ ТРАНСЛЯЦИИ LiME 34.5 KB
  Но архитектура мультиклеточных процессоров кроме повышения эффективности исполнения кода обладает рядом других важных и необходимых на практике возможностей таких как продолжение исполнения программы даже при выходе из строя части исполнительных устройств и группировка функциональные устройства более оптимальным для каждой конкретной задачи образом отключая при этом в целях экономии энергии устройства которые не используются и некоторые другие. В этой разработке самой первой из самых трудоёмких задач следует решить задачу по переводу...
77379. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ БОЛЬШИХ И СВЕРХБОЛЬШИХ ОБЪЁМНЫХ ДАННЫХ 30.5 KB
  Методы визуализации больших объёмных данных активно развиваются в том числе благодаря новым аппаратным средствам. В данной работе рассматриваются различные подходы к визуализации объёмных данных как с программной так и с аппаратной стороны актуальные на сегодняшний день. Также рассматривается специфика представления объёмных данных в памяти видеокарты и следующие из этого особенности и ограничения распределение задачи визуализации между GPU и CPU...
77380. Создание грид-сервисов для автоматизированной интеграции инженерных пакетов и интерактивных средств визуализации 38.5 KB
  Использование технологий Грид для обеспечения серьезных научных вычислений в интересах промышленности требует поддержки современных инженерных (Computer-Aided Engineering – CAE) пакетов. Инженерные пакеты, по сути, являются средами решения задач математической физики
77381. СРЕДА-КОНСТРУКТОР СИСТЕМ НАУЧНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ 33.5 KB
  В докладе сообщается о разрабатываемой авторами системе научной визуализации. В основе процесса научной визуализации лежит методика перевода абстрактных объектов в геометрические образы что дает возможность исследователю наблюдать результаты численного моделирования. Проблемой традиционных систем визуализации является жестко прописанный набор алгоритмов так что затруднена визуализация объектов образы которых строятся иными процедурами.