50559

Исследование трансформатора. Методические указания

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

У однофазного трансформатора рис. У трехфазного трансформатора рис. При холостом ходе вторичная обмотка трансформатора разомкнута U20=E2 т.

Русский

2014-01-26

436.5 KB

31 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный

технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

Методические указания

к выполнению учебно-исследовательской лабораторной работы

по курсу «Электрические машины» и «Электромеханика»

для студентов специальностей 180500 и 100400 всех форм обучения

Электронное издание локального распространения

                       Одобрено

                    редакционно-издательским советом

                 Саратовского государственного

                      технического университета

Саратов – 2006


Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составители: КАТАЕВ Анатолий Фёдорович,

                 УГАРОВ Геннадий Григорьевич

            Рецензент         В.М. Озёрский

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Научно-техническая библиотека СГТУ

Тел. 52-63-81, 52-56-01

http : // lib.sstu.ru

Регистрационный номер  060243Э

© Саратовский государственный

технический университет, 2006


ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Трансформатор является статическим электромагнитным аппаратом, преобразующим переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Рис.1

У однофазного трансформатора (рис. 1) питающее напряжение U1 из сети подводится к зажимам A, X первичной обмотки, а с зажимов вторичной обмотки a, x снимается напряжение другой амплитуды U2 для питания однофазной нагрузки.

У трехфазного трансформатора (рис. 2) к первичной обмотке (зажимы А, В, С) подводится линейное напряжение UАВ (UАВ=UВС=UСА) из сети трехфазного тока. С зажимов вторичной обмотки (x, y, z) снимается напряжение другой амплитуды Uxy (Uxy=Uyz=Uzx) для питания трехфазного потребителя. С помощью регуляторов РН можно устанавливать на входах первичных обмоток трансформаторов напряжение от нуля до номинального U1ном. Переключатель режимов П позволяет включать трансформатор на работу в трех режимах: холостого хода, нагрузки и короткого замыкания (соответствуют трем положениям 0-1-2 переключателя). При холостом ходе вторичная обмотка трансформатора разомкнута (U20=E2), т.е. значение тока I2 равно 0 (P2=0). В режиме нагрузки в цепь вторичной обмотки включается потребитель (с сопротивлением ZН – рис. 1 или Zx, Zy, Zz – рис. 2). При коротком замыкании выводы вторичной обмотки закорачиваются накоротко (U2=0; P2=0).

Рис.2

При холостом ходе трансформатором потребляется из сети мощность P0, но в нагрузку она не передается (P2=0), т.е. вся теряется в трансформаторе. Отсюда P0  является потерями холостого хода:

,

(1)

где   - потери в стали магнитопровода; – потери в меди первичной обмотки (для трехфазного трансформатора – на одной фазе).

Обычно >> , тогда P0Px.x=. Обычно потери в стали трансформаторов малой мощности составляют (2…5%)Sном, а для трансформаторов большой мощности – менее 0,5%Sном.

Ток холостого хода I0 имеет две составляющие: Iор – реактивную составляющую – намагничивающий ток, создающий основной магнитный поток трансформатора, Ф0 и Iоа – активную – ток, вызываемый наличием тепловых потерь на нагрев магнитопровода (из-за перемагничивания и вихревых токов). Ток холостого хода I0 и мощность P0 измеряются при выполнении опыта холостого хода. Значение активного тока определяется по выражению:

,

(2)

(для трехфазного трансформатора ), а реактивная составляющая из треугольника токов холостого хода (рис. 3б)   (активная и реактивная составляющие тока сдвинуты относительно друг друга по фазе на угол 90о). В треугольнике угол δс называется углом потерь  в стали магнитопровода (рис. 3б). Обычно ток холостого хода (и его составляющие) выражают в процентах от номинального тока первичной обмотки:

;       ;     .

(3)

На практике в силовых трансформаторах малой мощности ток холостого хода не превышает 10%, а в трансформаторах большой мощности – менее 3% I1ном. Составляющие тока холостого хода неодинаковы (Iop>>Ioa), а угол δс = 5÷10 %.

На основе опыта холостого хода можно определить также коэффициент трансформации трансформатора  , коэффициент мощности в режиме холостого хода   (для трехфазного ), параметры схемы замещения: ; ; , где P0 ном, I0 ном измеряют приборами или находят из характеристик холостого хода (рис. 3а) при U1ном.

При исследовании трансформатора в режиме нагрузки определяются нагрузочные характеристики (рис. 4а) и зависимость КПД трансформатора от нагрузки (рис. 5а).

Нагрузочные характеристики представляют зависимости I1,P1=f (I2) и указывают на то, что с увеличением нагрузки трансформатора ток первичной обмотки I1 и потребляемая из сети мощность Р1 возрастают.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость U2=f(I2) и определяется уравнением вторичной обмотки трансформаторов (). Из уравнения следует, что с увеличением нагрузки (активной или активной - индуктивной) напряжение на вторичной обмотке трансформатора уменьшается.

Рис.3

Рис.4

Зависимость КПД от нагрузки выражается функцией  η=f),  где   - коэффициент нагрузки. При номинальной нагрузке β=I.

График этой зависимости можно построить для ряда значений β = 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 и 1,2 , воспользовавшись выражением:

,

(4)

где   - номинальная мощность () и коэффициент мощности ; известны для заданной нагрузки. Потери трансформатора, влияющие на КПД, показаны графическими зависимостями P0 , PK = f) , причем  P0 - потери холостого хода (магнитные потери) от нагрузки не зависят и называются постоянными потерями, PK – потери короткого замыкания (электрические потери) пропорциональны квадрату тока и с ростом нагрузки быстро увеличиваются – переменные потери. Коэффициент нагрузки β, соответствующий максимальному значению КПД, находится в пределах  0,5…0,7, т.к. трансформаторы в основном работают с такой нагрузкой. Увеличение β приведет к увеличению расхода материала провода обмоток.

Для трансформаторов большой мощности КПД при номинальной нагрузке имеет высокие значения –95…99% , а для трансформаторов малой мощности снижается до 70…90%.

   

Рис.5

При опыте короткого замыкания вторичная обмотка замкнута на себя. На вход первичной обмотки подается напряжение короткого замыкания UK (UK<<U1 НОМ), при котором в обмотках трансформаторов текут номинальные токи I1 НОМ, I2 НОМ. При этом мощность PK НОМ, потребляемая транс-

форматором из сети, является потерями, поскольку P2=0 и в нагрузку мощность не передается: , но >> . Тогда мощность  = - представляет собой электрические потери в меди, идущие на нагрев обмоток трансформатора. Мощность  для трансформаторов большой мощности менее 1…2% , а для трансформаторов малой мощности составляет  5…12% от номинальной полной мощности.

Напряжение короткого замыкания UK имеет две составляющие          (рис 5, б): активную и реактивную (сдвинуты по фазе на 90о). Угол φK между сторонами uK  и uKA является углом сдвига фаз между напряжением и током трансформатора при коротком замыкании. Обычно напряжение короткого замыкания и его составляющие выражаются в процентах от номинального напряжения первичной обмотки:

; ; ; ,

(5)

; ; ,

(6)

где  , , - параметры схемы замещения трансформатора.

На практике напряжение короткого замыкания составляет для трансформаторов большой мощности 4…6% U1НОМ и 10…16% U1НОМ для трансформаторов малой мощности.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

  1.  Включение напряжения сети на вход схемы производить после установки ползунка РН (ЛАТР) в нулевое положение.
  2.  Максимальное значение тока нагрузки не должно превышать номинальный ток более чем на 2%.
  3.  На рабочем месте не должно быть никаких посторонних предметов.
  4.  Лица, не прошедшие инструктаж по технике безопасности и не аттестованные по охране труда, к работе не допускаются.

Цель исследования: определение характеристик и параметров однофазного трансформатора на основе выполнения опытов холостого хода, короткого замыкания и нагрузки.

Оборудование и принадлежности: однофазный трансформатор типа    ОСО-0,25 мощностью 250  с номинальным напряжением 220/36 В, номинальными токами 1,1 и 6,2 А; лабораторный автотрансформатор РНО-250-0,5-М; лабораторный ваттметр Ц556/100; измерительные приборы: амперметры (по схеме– А1,  и А2) и вольтметры (по схеме – V1,  и V2) переменного тока; нагрузочное сопротивление RH проволочного типа на три секции.

Методика эксперимента

Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис. 6.

Рис.6

Питание (~ 220 В) на схему подается через контакты автомата защиты сети (АЗС). При подаче напряжения загорается сигнальная лампа ЛН. Автотрансформатор обеспечивает плавное изменение напряжения на входе первичной обмотки. Ток, напряжение и мощность в цепи первичной об-

мотки измеряются амперметрами А1, , вольтметрами V1,  и ваттметром W. Приборы   и  измеряют малые значения тока I1 и напряжения U1. Переключение с А1 на   (и обратно) осуществляется переключателем ПА, а с V1 на  и обратно – переключателем ПV.

Ток и напряжение  вторичной обмотки измеряют амперметром А2 и вольтметром V2. Нагрузка на трансформатор задается выключателем В поочередным включением соответствующих секций сопротивления RH (в положении 3 сопротивление минимально, а ток нагрузки  наибольший).

Короткое замыкание вторичной обмотки осуществляется прямым подключением провода на клеммы А, Б этой обмотки.

Указания по методике исследовательского эксперимента

Установить ползунок ЛАТРа и выключатель нагрузки В на «0» (в крайнее левое положение); переключатель амперметров ПА – на  (вниз);  переключатель ПV – на V1 (вниз). Переключатели ваттметра в положения          V=300 В; I=2,5 A – в этом случае цена одного деления прибора      Вт. Включить автомат защиты сети (АЗС), при этом загорается сигнальная лампочка ЛН.

Опыт холостого хода

Ползунок ЛАТР постепенно поворачивать по часовой стрелке и следить за возрастанием напряжения по вольтметру V1. Последовательно установить U1 = 100, 150, 200, 220 и 250 В. При этих значениях напряжения замерить ток I0 (по амперметру  - переключить на А1 , если ток будет больше 500 mA) и мощность P0, потребляемую из сети (по ваттметру W).

Результаты измерений записать в табл. 1, а в табл. 2 внести значения тока , мощности  при номинальном напряжении сети          U1НОМ = 220 В; при этом значении с помощью вольтметра V2 измерить также напряжение U2 вторичной обмотки трансформаторов.

ИЗМЕРЕНО

ВЫЧИСЛЕНО

U1, B

I0, A

P0, Bт

cos φ0

0

100

150

200

220

250

                        Таблица 1

                                                                               

                                                                                        

                                                                                                                        

  

                                                                                                                      

Таблица 2

ИЗМЕРЕНО

ВЫЧИСЛЕНО

, В

U20,

B

, А

, Вт

К

r0, Ом

z0, Ом

x0, Ом

cos φ0

i0,%

i0a,%

iop,%

Коэффициент мощности cos φ0 определяется из выражения:.

Опыт короткого замыкания

Обязательно установить ползунок ЛАТР на «0» (в крайнее левое положение). Переключатель вольтметров ПV поставить на  (вверх); вольтметр при этом должен показывать нуль. Проводом замкнуть накоротко выходные зажимы цепи вторичной обмотки трансформатора – клеммы А, Б.

Осторожно небольшим поворотом ползунка ЛАТР установить на входе трансформатора напряжение U1=UK, при котором в обмотках трансформатора потекут номинальные токи (см. показание А2 → 6,2 А). Дальнейшее увеличение напряжения на входе трансформатора недопустимо! Замерить UK, ,  и PK. Результаты опыта занести в табл. 3.

Таблица 3

ИЗМЕРЕНО

ВЫЧИСЛЕНО

UК, В

,

А

, А

PК,

Вт

rK,

Ом

xK,,

Ом

zK,

Ом

cos Φk

UК,

%

Uка,

%

Uкр,%

Режим нагрузки

            Таблица 4

=220 В

I2, A

0

I1, A

P1, Bт

U2, B

Установить с помощью ЛАТР напряжение первичной обмотки трансформатора. Нагружать трансформатор, для чего поочередно поставить выключатель нагрузки В в положения 1,2,3. В каждом случае измерять ток  I2 (по амперметру А2), U2 (по вольтметру U2), P1(по ваттметру) и I1  (по амперметру А1). Результаты занести в табл. 4.

Задание 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель исследования: определение характеристик и параметров трехфазного трансформатора на основе выполнения опытов холостого хода, короткого замыкания и нагрузки.

Оборудование и принадлежности: трехфазный трансформатор типа  ТСЗ -1,5/1,0 мощностью 1,5 кВА с номинальными напряжениями     220/380 В (линейные) и 130/220 В (фазные – трансформатор повышающий), номинальными токами 1,6/3,6 А; регулятор напряжения РНЕ-220-6; измерительные приборы переменного тока, нагрузочное сопротивление RH проволочного типа на три секции. (В схеме использован однофазный ваттметр).

Методика эксперимента

Принципиальная схема экспериментальной установки показана         на рис. 7.

Рис.7

Питание (трехфазный ток с линейным напряжением 220 В, фазным     130 В) на схему подается через контакты автомата защиты сети (АЗС). При подаче напряжения загорается сигнальная лампа ЛН. Регулятор РН обеспечивает плавное изменение напряжения на входе первичной обмотки. В цепи этой обмотки с помощью амперметров А1,   измеряется линейный ток I1, с помощью вольтметров V1,   - фазное напряжение U и с помощью ваттметров W – мощность трех фаз трансформатора. Приборами  и   измеряют малые значения тока и напряжения. Переключение с А1 на  (и обратно) осуществляется переключателем ПА, а с V1 на    и обратно – переключателем ПV.

Линейный ток и фазное напряжение вторичной обмотки измеряют амперметром А2 и вольтметром V2. Нагрузка на трансформатор задается выключателем В, поочередным включением соответствующих секций сопротивления RH (в положении 3 сопротивление минимально, а ток нагрузки наибольший).

Короткое замыкание вторичной обмотки осуществляется прямым подключением провода на клеммы 1-1-1 выключателя нагрузки В (клеммы выведены на панель стенда).

Указания по методике исследовательского эксперимента

Установить подвижный контакт РН и выключатель нагрузки В на «0»   (в крайнее левое положение). Переключатель амперметров ПА – на   (влево); переключатель ПV – на V1 (вверх). Включить АЗС, при этом загорается сигнальная лампочка ЛН.

Опыт холостого хода

Поворачивать ручку РН по часовой стрелке (в направлении «Больше») и повышать напряжение первичной обмотки; контролировать возрастание напряжения по вольтметру V1. Последовательно установить U1ф=50, 70, 90, 110, 130 В. При этих значениях напряжения замерять ток I0 (по амперметру  - переключить прибор на A1, если ток превысит значение 500 mA) и мощность трех фаз P0 (по ваттметру).

Результаты измерений записать в табл. 5, а в табл. 6 внести значения измеряемых величин (I0ном, Р0ном) при номинальном фазном напряжении первичной обмотки U1фном=130 В; при этом значении с помощью вольтметра V2 измерить также напряжение U2оф на фазе вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент мощности cosφ0 определяется из выражения: ; r0, x0, z0 - параметры схемы замещения трансформатора:

; .

(7)

                        Таблица 5

Измерено

Вычислено

,В

I0, А

P0, Вт

0

50

70

90

110

130

Таблица 6

Измерено

Вычислено

U1фном, В

U20, В

I0ном , А

Р0ном , Вт

К

rо, Ом

xо, Ом

zо, Ом

iо ,

%

iоа %

iор,

%

Опыт короткого замыкания

Обязательно установить подвижный контакт на «0» (в крайнее левое положение). Переключатель вольтметров ПV поставить на  (вниз); вольтметр при этом должен показывать нуль. Проводом замкнуть клеммы 1-1-1  - выходные зажимы цепи вторичной обмотки трансформатора.

Осторожно небольшим поворотом подвижного контакта РН (в сторону «Больше») установить на входе трансформатора напряжение U=Uкф, при котором в обмотках трансформатора потекут номинальные токи (см. показание А2 →3,8 А). Дальнейшее увеличение напряжения на входе трансформатора недопустимо! Замерить Uкф, I1ном, I2ном и Рк (вместо Uкф в таблицу вносить линейное значение ). Результаты опыта занести в табл. 7. 

   Таблица 7.

Измерено

Вычислено

Uк, В

I1 ном, А

I2 ном, А

Pк, Вт

rк, Ом

xк, Ом

zк, Ом

uк %

uка %

uкр %

;

;

.

(8)

Режим нагрузки

Установить с помощью РН напряжение первичной обмотки трансформатора U1ф ном=130 В. Нагружать трансформатор, для чего поочередно поставить выключатель нагрузки В в положения 1, 2, 3. В каждом случае измерить ток I2 (по амперметру А2), U (по вольтметру V2), Р1 (по ваттмет ру и I1 (по амперметру А1). Результаты занести в табл. 8; записывать        линейное напряжение вторичной обмотки .

             Таблица 8.

U1фном = 130 В

I2, A

0

I1,A

P1, Вт

U2, B

Обработка результатов эксперимента

  1.  По данным табл. 5 построить характеристики холостого хода трансформатора: графики I0, P0,  =f(U1).
  2.  По данным табл. 6 вычислить коэффициент трансформации К, ток холостого хода i0 % и его составляющие ioa, iop; параметры схемы замещения (контура намагничивания) r0, x0, z0 и коэффициент мощности . Построить треугольник токов холостого хода.
  3.  По данным табл. 7 вычислить параметры короткого замыкания трансформатора  rk, xk, zk , напряжение короткого замыкания uк% и его составляющие uкa, uкp; коэффициент мощности при коротком замыкании  . Построить треугольник напряжений короткого замыкания..
  4.  По данным табл.8 построить нагрузочные характеристики I1P1=f(I2) и внешнюю характеристику U2=f(I2); определить падение напряжения U2 для номинальной нагрузки:

U2=U20 - U2 ном  или  U2%= .

(9)

Вычислить значения КПД по формуле:

.

(10)

для значений  β=0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,2 и построить график η=f(β). 

Содержание и оформление отчета

               Отчет должен содержать:

  1.  название лабораторной работы;
  2.  формулировку цели работы;
  3.  принципиальную электрическую схему установки;
  4.  параметры и характеристики приборов и оборудования;
  5.  графические зависимости, выводы.

Вопросы для самопроверки

  1.  Объясните устройство и принцип действия трансформатора.
  2.  Что такое коэффициент трансформации, и как его определить опытным путем?
  3.  Объясните характер и причины изменения cos φ0 при изменении U1.
  4.  Почему мощность холостого хода принимают за магнитные потери, а мощность короткого замыкания за электрические потери?
  5.  Объясните характер и причины изменения КПД в зависимости от нагрузки (β). При каком условии КПД максимален?
  6.  Сколько процентов составляет ток холостого хода от номинального в трансформаторах малой и большой мощности? Назовите составляющие тока холостого хода.
  7.  В каком соотношении находятся составляющие тока холостого хода?
  8.  Почему при активной нагрузке трансформатора ток его первичной цепи не является активным?
  9.  Объясните физический смысл напряжения короткого замыкания; назовите составляющие UK, значения UK для трансформаторов различной мощности.

ЛИТЕРАТУРА

  1.  Брускин, Д.З. Электрические машины / Д.З. Брускин,                А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов // Справочник: в 2 ч. – М.: Высшая школа, 1987. – Ч 1. – С. 74 – 84.
  2.  Кацман, М.М. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам и электроприводу / М.М. Кацман. – М.: Высшая школа, 1983.  – С. 26 – 33.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83121. Путешествие с Планетой. Мой дом – моя Родина 549.5 KB
  Основные понятия и термины урока: Планета Земля вселенная планеты солнечной системы Родина страна столица мой город компас горизонт карта план местности экология экологические проблемы. Кто пришел к нам в гости Правильно к нам в гости пришла Планета Земля. Планета Земля подготовила для вас вопросы и задания.
83122. Різноманітність рослин у природі. В.О.Сухомлинський «Верба над ставком» 110 KB
  Формувати уявлення про різноманітність рослинного світу про водорості мохи хвощі папороті хвойні рослини квіткові рослини уміння розрізняти окремі рослини цих груп розуміти цінність їх у природі; виробляти уміння узагальнювати робити висновки оцінювати результати діяльності...
83123. Внеклассное чтение о дружбе, товариществе «Умею ли я дружить?» 72 KB
  Цели урока: развивать навыки чтения, связную речь, мышление, память, внимание и умение работать в быстром темпе, умение работать самостоятельно и формировать навыки контроля и самоконтроля; способствовать развитию у учащихся чувства гуманности, сопереживания, сплочению классного...
83124. Письмове віднімання чисел без переходу через десяток. Прості задачі на віднімання 224.5 KB
  Мета. Ознайомити учнів із прийомами письмового віднімання трицифрових чисел без переходу через розряд; удосконалювати вміння учнів розв’язувати прості задачі на дію віднімання та задачі, що включають суми двох і трьох доданків; розвивати логічне мислення, математичне мовлення...
83125. Число і цифра 8. Написання цифри 8. Порівняння чисел в межах 8 87 KB
  Мета. Ознайомити учнів із числом 8, пояснити утворення числа 8 додаванням одиниці до попереднього числа; закріпити знання взаємозв’язку між частиною і цілим; вчити користуватися у мовленні числівниками; розвивати логічні мислення учнів, пам’ять, уважність, спостережливість...
83126. Текст. Типи текстів 1.3 MB
  Мета: закріпити вміння учнів визначати тип тексту складати тексти різних типів удосконалювати навички побудови зв’язного тексту стимулювати пізнавальну активність; розвивати усне й писемне мовлення; розвивати уяву пам’ять увагу; вміння самоаналізу результатів роботи...
83127. Я и Украина. Гражданское образование 210 KB
  Цель: формировать у детей представление о добре, доброте, о хороших, добрых поступках; расширять знания учащихся о роли доброты в жизни каждого человека. Задачи урока Раскрыть смысл понятия «доброта». Помочь детям задуматься о разных сторонах жизни и свойствах человеческого характера.
83128. Заходь у гості, щедра осінь 371.5 KB
  Мета. Формувати читацькі інтереси. Вчити дітей бачити красу рідного краю, вміти милуватися нею. Збагачувати словниковий запас, розвивати спостережливість, бажання пізнавати й передавати словами красу осені. Виховувати інтерес до книги, любов і бережне ставлення до природи.
83129. Сучасний урок на свіжому повітрі. Лісові голоси 2.73 MB
  Мета: Формувати уявлення про красу навколишнього світу, сповненого розмаїття звуків, кольорів. Ознайомити з основними елементами художньо-образної мови, музики, з можливостями різних видів мистецтва створювати виразні образи. Дати поняття про тривалість звука, висоту...