70841

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Цель работы: изучить в различных режимах работу однофазного трансформатора и рассчитать величины характеризующих трансформатор параметров. Применение наборных сердечников уменьшает величину индукционных вихревых токов возникающих в них что увеличивает КПД трансформатора.

Русский

2014-10-28

256 KB

2 чел.

Лабораторная работа 46

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Задачи работы

  1.  Изучение различных режимов работы трансформатора.
  2.  Расчёт величины параметров, характеризующих трансформатор.

Физическое обоснование эксперимента

Цель работы: изучить в различных режимах работу однофазного трансформатора и рассчитать величины характеризующих трансформатор параметров. 

Прежде чем приступить к выполнению работы, необходимо ознакомиться с введениями по темам «Переменный электрический ток», «Мощность переменного тока».

Трансформатором называется устройство, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции: при изменении потока магнитной индукции Φ, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в нём возникает электрический ток. Направлен этот ток, называемый индукционным, всегда так, чтобы максимально противодействовать вызывающей его причине. ЭДС индукции определяется уравнением Фарадея–Ленца:

.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника (магнитопровода), на который намотаны две (или более) обмотки (Рис. 46.1). Обмотки эти электрически изолированы друг от друга. Сердечник собирается из отдельных листов трансформаторной стали с малой коэрцитивной силой, разделённых изолирующими слоями лака, бумаги или пластика. Применение наборных сердечников уменьшает величину индукционных (вихревых) токов, возникающих в них, что увеличивает КПД трансформатора.

Рис. 46.1.

Первичной называется обмотка трансформатора, соединённая с внешним источником переменного напряжения. Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке - число витков n1, напряжение U1, сила тока I1, мощность Р1 и т.д. Обмотка, с которой снимается электроэнергия, и, соответственно, относящиеся к ней величины называются вторичными - n2, U2, I2, Р2, R2, XL2, Z2. 

Ток I1 в первичной обмотке трансформатора возникает под действием первичного синусоидального напряжения U1. Этот ток порождает в магнитопроводе переменный магнитный поток: Φ = Φmsint. Этот поток, пронизывая обе обмотками трансформатора, индуцирует в них ЭДС, мгновенные значения которых будут по закону Фарадея-Ленца равны:

e1 = -n1· = -·n1·Φm·cost = Em1·sin(t - /2),

46.1

e2 = -n2· = -·n2·Φm·cost = Em2·sin(t - /2)

46.2

Из формул видно, что ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках отстаёт по фазе от магнитного потока. Отношение мгновенных, амплитудных и действующих значений этих ЭДС равно отношению чисел витков обмоток трансформатора:

46.3

Отношение K называется коэффициентом трансформации. Это важнейшая характеристика трансформатора. Если устройство трансформатора таково, что K  1 (то есть вторичное напряжение U2 больше первичного U1), то трансформатор называется повышающим, если K  1 (то есть U2  U1), то - понижающим.

Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора называют отношение мощности, выделяемой на нагрузке, к мощности, потребляемой первичной обмоткой от сети:

.

46.4

При номинальной (то есть той, на которую он рассчитан) нагрузке мощного трансформатора его КПД очень высок - до 95%. Он существенно понижается лишь при малых нагрузках или у маломощных трансформаторов.

Рассмотрим работу трансформатора с точки зрения закона сохранения энергии. Из мощности Р1, подведённой к первичной обмотке, часть Рпр1 расходуется на нагревание проводов первичной обмотки, а часть Рс затрачивается в сердечнике на потери от перемагничивания (гистерезиса) и вихревых токов. Остальная мощность передается во вторичную обмотку:

Р12 = Р1 - Рпр1 - Рс.

Во вторичной обмотке часть мощности Рпр2 теряется на нагревание проводов, а оставшаяся Р2 передается во вторичную цепь:

Р2 = Р12 - Рпр2 = Р1 - Рпр1 - Рс - Рпр2.

В реальных трансформаторах часть магнитного потока замыкается вне магнитопровода, образуя потоки рассеяния. Однако в современных трансформаторах эти потоки малы по сравнению с основным потоком в магнитопроводе, в результате чего потери передаваемой мощности минимальны.

Напряжения, токи и ЭДС в обмотках (без учёта ЭДС, наводимых потоками рассеяния) связаны соотношениями:

u1 + e1 = i1r1

u2 + i2r2 = e2.

Если напряжение u1, приложенное к первичной обмотке синусоидальное, то магнитный поток Φ и ЭДС e1 и e2 будут также синусоидальными, поэтому при анализе работы трансформатора удобно рассматривать действующие значения ЭДС Е1 и Е2, напряжений U1 и U2 и токов I1 и I2. Омические сопротивления обмоток обычно малы и ими в ряде случаев можно пренебречь.

Основные характеристики трансформатора и его параметры могут быть изучены в опытах холостого хода трансформатора, в опытах его рабочего режима и в опытах короткого замыкания.

Режим холостого хода

Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, когда к зажимам первичной обмотки подводится переменное напряжение, а цепь вторичной обмотки разомкнута.

В режиме холостого хода ток в первичной обмотке I1хол очень мал и сопротивление первичной обмотки у трансформаторов обычно тоже мало. Следовательно падение напряжения на первичной обмотке при холостом ходе пренебрежимо мало, то есть можно считать, что U1 = е1. Во вторичной обмотке в режиме холостого хода напряжение в точности равно ЭДС (U2хол = е2), так как обмотка разомкнута.. Эти факты позволяют определять в режиме холостого хода коэффициент трансформации.

.

46.5

Мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, затрачивается на потери в стальном сердечнике (на его перемагничивание и на вихревые токи Фуко в нем) и на нагревание (джоулевы потери) одной лишь первичной обмотки (I1хол )2r1, где r1 - омическое сопротивление первичной обмотки. Однако в этом режиме потери на джоулево нагревание обмотки ничтожны по сравнению с потерями в стали (исключение составляют лишь трансформаторы малой мощности). Следовательно, вся мощность холостого хода трансформатора практически затрачивается лишь на потери в стали, и, поэтому, опыт холостого хода позволяет определить потери в стали трансформатора.

Рабочий режим

В рабочем режиме трансформатора во вторичную обмотку включается омическая нагрузка. Во вторичной цепи трансформатора ЭДС индукции Е2 играет роль источника энергии. Она создаёт ток I2, который порождает в сердечнике вторичный магнитный поток. Согласно правилу Ленца, этот поток направлен противоположно основному потоку, индуцирующему ЭДС Е2, стремясь его уменьшить. А это, опять же по правилу Ленца, приводит к увеличению первичного тока при том же самом напряжении в первичной цепи настолько, чтобы восстановить первоначальный магнитный поток, при котором существует равновесие в первичной цепи между напряжением U1 и наведенной ЭДС Е1 (U1  Е1).

Таким образом, всякое изменение силы тока во вторичной обмотке трансформатора вызывает соответствующее изменение силы тока в первичной, но практически не влияет на амплитуду основного магнитного потока Φ. Следовательно, пока не изменяется первичное напряжение U1 трансформатора, остаётся неизменным и его основной магнитный поток Φ, что характерно для рабочего режима трансформатора. Изменением сопротивления нагрузки можно изменять ток во вторичной обмотке, и, тем самым, при постоянном напряжении U1 варьировать мощность, выделяющуюся во вторичной обмотке (отбираемую от трансформатора потребителем).

Электрическая мощность, подаваемая в первичную цепь трансформатора и измеряемая ваттметром, включенным в эту цепь, равна:

P1 = I1·U1·cos1.

46.6

Измерив напряжение и ток в первичной обмотке, можно определить коэффициент мощности (см. Введение) первичной цепи:

.

46.7

Аналогичные измерения, проведённые для вторичной обмотки, дают:

P2 = I2·U2·cos2,

46.8

.

46.9

КПД трансформатора будет выражаться формулой:

.

КПД в зависимости от отбираемой из вторичной цепи мощности будет изменяться. График этой зависимости = f (I2), как показывает теория, обладает максимумом. КПД трансформатора достигает максимума в тот момент, когда потери в стальном сердечнике трансформатора равны джоулевым потерям в обмотках.

Режим короткого замыкания.

Режимом короткого замыкания трансформатора называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко или на очень малое сопротивление. Короткое замыкание в условиях эксплуатации создаёт аварийное состояние, поскольку вторичный ток, а, следовательно, и первичный, увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальными, что может вызвать разрушение трансформатора. Поэтому в цепях с трансформатором должна быть предусмотрена защита, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

В лабораторных условиях можно провести испытательные опыты по короткому замыканию трансформатора. Для этого опыта на первичную обмотку подаётся очень маленькое (близкое к нулю) напряжение, а зажимы вторичной обмотки трансформатора замыкаются накоротко. Таким образом, в режиме короткого замыкания на трансформатор подаётся очень маленькая мощность. Посредством вольтметра, амперметра и ваттметра измеряются напряжение U1кор, ток I1кор и мощность Р1кор, потребляемая трансформатором. При очень малом напряжении U1, и малом токе первичной обмотки в сердечнике возбуждаются малые магнитные потоки Φкз (основной магнитный поток сцепления уже сравним с магнитным потоком рассеяния, которым пренебрегали в рассматриваемых ранее электромагнитных процессах). Малость магнитных потоков приводит к тому, что потери в стали сердечника становятся близки к нулю (Рст  0). Вместе с тем при опыте короткого замыкания величины сил токов, а значит и потери в проводниках обмоток такие же, как и при нагрузке. На этом основании можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность Р1кор затрачивается на джоулевы потери в проводниках обмоток трансформатора:

Р1кор = I12 r1 + I22·r2.

Иногда трансформатор представляют в виде упрощённой эквивалентной схемы, для которой используется понятие активного сопротивления. Активное сопротивление трансформатора или сопротивление короткого замыкания RКЗ определяется в режиме короткого замыкания как:

.

46.10

Опыт короткого замыкания служит также контрольным опытом для определения коэффициента трансформации. Так как в этом режиме суммарный магнитный поток в сердечнике очень мал, то в первом приближении намагничивающая сила в первичной цепи I1·n1 уравновешивается размагничивающим действием вторичного тока I2·n2:

I1·n1  I2·n2.

Следовательно:

.  

46.11

Порядок выполнения работы.

Рис. 46.2.

  1.  Изучить схему (Рис. 46.2), стационарно собранную на лабораторном столе.
  2.  Провести опыт холостого хода трансформатора.

Для этого:

  1.  Проверить положение ключей К1 и К2 во вторичной цепи. Они должны быть разомкнуты.
  2.  Установить напряжение U1 = 120 В в первичной цепи с помощью ЛАТРа.
  3.  Снять показания всех приборов и записать их в первую строку Таблицы 46.1.
  4.  Выполнить измерения в рабочем режиме трансформатора.

Для этого:

  1.  Замкнуть ключ К1 во вторичной цепи.
  2.  Напряжение в первичной цепи U1 = 120 В поддерживать постоянным в течение опыта.
  3.  Изменять ток I2 вторичной цепи от 1 до 10 A через 1 A, изменяя сопротивление нагрузки с помощью реостатов R1 и R2.
  4.  Показания всех приборов свести в Таблицу 46.1.
  5.  Провести опыт короткого замыкания трансформатора.

Для этого:

  1.  Напряжение в первичной цепи установить равным 0 (U1 = 0 В)
  2.  Только после того, как убедитесь, что вольтметр первичной цепи показывает 0, можно замкнуть ключи К1 и К2 во вторичной цепи.
  3.  С помощью ЛАТРа постепенно увеличивая напряжение в первичной цепи последовательно установить значения тока I2 от 2 А до 10 А через 2 А. В Таблицу 46.2 занести показания амперметра и ваттметра (I1 и P1) в первичной цепи.
  4.  . В Таблицу 46.2 занести показания амперметра и ваттметра (I1 и P1) в первичной цепи.

Таблица 46.1.

U1, В

I1, А

P1, Вт

U2, В

I2, А

P2, Вт

Режим холостого хода

1201

15

43

105

0

0

Рабочий режим

1,0

2,0

10

Таблица 46.2. Режим короткого замыкания

I2, А

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

P1, Вт

I1, А

Содержание отчёта

  1.  Таблицы наблюдений в режиме холостого хода, рабочем режиме и в режиме короткого замыкания.
  2.  Расчёт коэффициента трансформации К из данных Таблицы 46.1 по формуле (46.3).
  3.  Величину потерь мощности в стальном сердечнике трансформатора, определённую из Таблицы 46.1.
  4.  Расчет значений КПД трансформатора в зависимости от тока во вторичной обмотке =  = f(I2). График зависимости = f(I2).
  5.  Вычисление значений cos1 и cos2 по формулам (46.7) и (46.9). Графики зависимости этих коэффициентов от мощности I2.
  6.   Расчёт среднего значения активного сопротивления r из данных Таблицы 46.2 по формуле (46.10).
  7.  Расчёт среднего значения коэффициента трансформации К из данных Таблицы 46.2 по формуле (46.11). Сравнение полученного значения с коэффициентом, рассчитанным по формуле (46.3).
  8.  График зависимости потерь мощности в проводах обмоток от величины I2 (Pпр = f(I2)) (по указанию преподавателя).
  9.  Из построенного графика (Pпр = f(I2)) найти то значение тока I2, при котором Pст = Pпр. Убедиться, что положение максимума КПД приходится на это значение тока.

Контрольные вопросы

  1.  Какой физический закон лежит в основе работы трансформатора?
  2.  Какие режимы работы трансформатора предлагается изучить в работе?
  3.  Что такое коэффициент мощности трансформатора?
  4.  В каком режиме можно определить коэффициент трансформации?


1 Числа, записанные в этой строке таблицы, являются примером записи результатов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5050. Виготовлення разової ливарної форми за рознімною моделлю 117.5 KB
  Виготовлення разової ливарної форми за рознімною моделлю. Мета роботи: ознайомитися з процесом виготовлення вручну разової ливарної форми зі стержнем для нескладного виливка у двох опоках за рознімною моделлю. Обладнання, прилади, матеріали. Модельн...
5051. Исследование работы регистров и счетчиков 95 KB
  Исследование работы регистров и счетчиков. Регистры – устройства, предназначенные для хранения и преобразования двоичной информации. Они представляют собой набор определенным образом связанных триггеров...
5052. Исследования комбинационных логических схем 100 KB
  Исследования комбинационных логических схем. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с логикой работы, изучение принципа действия, исследование и определение основных характеристик и параметров базового логического элемента ТТЛ, изучение структуры и работы основн...
5053. Переходные процессы в цепях с одним реактивным элементом 740 KB
  Переходные процессы в цепях с одним реактивным элементом Цель работы Изучение и компьютерное моделирование переходных процессов, возникающих при коммутациях в цепях первого порядка, содержащих сопротивление и емкость либо сопротивление и индуктив...
5054. Расчет привода механизма подъема-спуска нормального мостового крана 436.5 KB
  Техническое совершенство производственного механизма и осуществляемого им технологического процесса в значительной мере определяется совершенством соответствующего электропривода и степенью его автоматизации. Автоматизированный представляет...
5055. Маркетинг как вид экономической деятельности 212.5 KB
  Французский экономист Д. Сэй еще в эпоху промышленной революции так сформулировал основное правило в управлении производством: Нужно снижать издержки производства, с тем чтобы увеличить прибыль. Совет этот действительно является мудрым в ...
5056. Особенности действия инфляции в различных рыночных системах. Инфляция и безработица. Инфляция и социальные конфликты 147 KB
  В современном мире все большее внимание начинает уделяется экономике, причём глобальной, макроэкономике. Это связано прежде всего с интернациональным развитием не только экономических, но и культурных, политических и общественных связ...
5057. Особенности и причины развития кейнсианской и неокейнсианской теории экономического роста 838.5 KB
  Многогранность экономической жизни порождает множество экономических наук. Изучая экономику, человек обнаруживает взаимосвязи между её различными гранями соответственно и науки, изучающие элементы экономической жизни, сложились в систему ...
5058. Теория экономического роста 1.02 MB
  Параметры экономического роста, их динамика широко используются для характеристики развития национальных хозяйств, в государственном регулировании экономики. Население оценивает деятельность высших хозяйственных и политических органов той ил...