Исследовавание однофазного двухобмоточного

ТРАНСФОРМАТОРА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является ознакомление с устройством трансформатора, изучение его свойств путем снятия основных характеристик и определение параметров схемы замещения.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Трансформатором называется электромагнитное статическое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии в цепях переменного тока.

Схема замещения трансформатора представляет собой эквивалентную электрическую схему, которая составляется для выполнения практических расчетов трансформатора. Полная или Т-образная комплексная схема замещения трансформатора показана на рис. 5.1.

На этой схеме R ₁ и x _1s – соответственно активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки трансформатора; R' ₂ и х' _2s – приведенные активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки; R ₀ и х₀ - активное и индуктивное сопротивления ветви холостого хода.

Рис. 5.1. Расчетная схема замещения приведенного трансформатора

2.2. Режим холостого хода. Это режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке, то есть при i ₂(t) = 0. На рис. 5.2 приведена комплексная схема замещения трансформатора в режиме холостого хода.

Рис. 5.2. Схема замещения трансформатора в режиме холостого хода

2.3. Опыт холостого хода трансформатора. Этот опыт проводится для определения: 1) коэффициента трансформации трансформатора;

2) тока холостого хода;

3) мощности потерь холостого хода, т.е. мощности потерь в стали;

4) параметров ветви холостого хода (R ₀ и х₀).

Для проведения опыта холостого хода вторичную обмотку трансформатора оставляют разомкнутой, а к первичной подводят номинальное напряжение U _1ном, указанное на паспортной табличке трансформатора. При этом измеряют активную мощность первичной цепи Р ₀, а также напряжения U _1ном и U _2ном на обеих обмотках. Коэффициент трансформации определяют по показаниям вольтметров, пользуясь формулой:

. (5.1)

Ток холостого хода I ₀ определяют непосредственно по амперметру и выражают его в процентах от номинального тока I _1ном, указанного в паспортной табличке на корпусе трансформатора (там же указывается U _1ном и S _ном):

, (5.2)

где . (5.3)

Активная мощность при опыте холостого хода определяет энергию, полностью идущую на покрытие потерь в трансформаторе, поскольку нагрузка отсутствует. В основном это потери в стали, так как потерями в первичной обмотке можно пренебречь из-за малого тока холостого хода. Поэтому мощность потерь Р ₀, определяемая по ваттметру, будет представлять собой мощность потерь в стали:

.

Полная проводимость ветви холостого хода согласно законуОма и схеме замещения равна: . (5.4)

Активное сопротивление ветви холостого хода определяют по закону Джоуля-Ленца: . (5.5)

Индуктивное сопротивление ветви холостого хода находят из треугольника проводимостей:

. (5.6)

Коэффициент мощности при холостом ходе: . (5.7)

 

2.4. Опыт короткого замыкания. Это режим работы трансформатора при пониженном напряжении первичной катушки и при замкнутой вторичной обмотке накоротко, то есть при u ₂(t) = 0. При этом к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение U_К, которое называется "напряжение короткого замыкания". Оно выбирается так, чтобы в обмотках были номинальные токи I _1ном и I _2ном. Его обычно выражают в процентах от номинального напряжения

. (5.8)

На рис. 5.3 приведена комплексная схема замещения трансформатора в опыте короткого замыкания, когда напряжение питания равно такому напряжению короткого замыкания, при котором токи в обмотках равны номинальным. Здесь же показана расчетная схема замещения трансформатора в опыте короткого замыкания, где учтены приближенные равенства и .

Рис. 5.3. Схема замещения и расчетная схема трансформатора в опыте короткого замыкания

Опыт короткого замыкания проводится для определения:

1) напряжения короткого замыкания U_К;

2) мощности потерь при коротком замыкании Р_К;

3) параметров R ₁, x _1s, R '₂, х '_2s схемы замещения.

Мощность потерь короткого замыкания определяют по показаниям ваттметра. Потери в опыте короткого замыкания - это в основном потери в обмотках, поскольку из-за пониженного напряжения в опыте короткого замыкания магнитный поток Ф и пропорциональные потоку потери в стали будут весьма малы и ими можно пренебречь. Таким образом, мощность потерь короткого замыкания равна мощности потерь в обмотках (в меди) при номинальной нагрузке, т.е. P_К = Р _м.ном. Коэффициент мощности определяется по формуле:

. (5.9)

Чтобы определить параметры R ₁, x _1s, R '₂, и х '_2s, нужно вычислить полное сопротивление короткого замыкания:

, (5.10)

 

затем активное сопротивление короткого замыкания

, (5.11)

и индуктивное сопротивление короткого замыкания:

. (5.12)

Активное сопротивление R ₁ первичной обмотки и приведенное активное сопротивление R '₂ вторичной обмотки:

. (5.13)

Индуктивные сопротивления x _1s и х' _2s:

. (5.14)

2.5. Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость напряжения на вторичной обмотке U ₂ от нагрузки (тока I ₂) при постоянном ее характере (j₂) и номинальном напряжении U _1ном:

, (5.15)

где D U ₂ – изменение вторичного напряжения, являющееся функцией нагрузки трансформатора.

При номинальном токе и активной нагрузке изменение вторичного напряжения в процентах приближенно равно напряжению короткого замыкания в процентах:

. (5.16)

Поэтому приближенно внешнюю характеристику можно представить прямой, проходящей через две точки с координатами по I ₂ и по U ₂:

(0, U _2XX) и (I _2ном, U _2XX – D U ₂).

Абсолютное изменение вторичного напряжения:

. (5.17)

Таким образом, график внешней характеристики представляет прямую линию (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Внешняя характеристика и зависимость КПД трансформатора от нагрузки

 

2.6. Коэффициент полезного действия трансформатора определяется по формуле:

, (5.18)

где: β – коэффициент загрузки;

S _НОМ – номинальная мощность трансформатора, В·А;

Р ₀ = Р _С – мощность потерь холостого хода (потери в стали), Вт;

P_К = Р _м.ном – мощность потерь короткого замыкания (потери в меди), Вт.

График зависимости или показан на рис. 5.4.

3. ПРОГРАММА РАБОТЫ

3.1. Изучить конструкцию трансформатора.

3.2. Провести опыт холостого хода.

3.3. Снять внешнюю характеристику.

3.4. Провести опыт короткого замыкания.

3.5. Рассчитать КПД трансформатора при различной резистивной нагрузке.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Изучить конструкцию испытуемого броневого трансформатора с пластинчатым магнитопроводом, стержневого и с ленточным магнитопроводом. Уяснить порядок сборки магнитопровода.

4.2. Записать паспортные данные. Собрать электрическую схему для испытания трансформатора (рис. 5.5). Установить пределы измерения напряжения и тока комплекта К-540: V ₁ – 300 В; A ₁ – 1 А. Взять амперметр А ₂ с пределом измерения 2 А. Напряжение на вторичной обмотке измерять цифровым вольтметром В7-38. Предъявить собранную схему для проверки преподавателю.

 

Рис.5.5. Схема включения трансформатора для испытания на стенде

4.4. Проделать опыт холостого хода. Вторичная обмотка должна быть разомкнута, с помощью автотрансформатора (ЛАТР) на первичную обмотку следует подать номинальное напряжение U _{1 НОМ}, контролируя его по вольтметру V ₁, и произвести измерения напряжения на вторичной обмотке U _2ХХ, тока I ₀ и мощности Р ₀ холостого хода. Результаты измерений занести в табл. 5.1.

Таблица 5.1.

Опытные величины	Расчетные величины
U1НОМ, В	U2ХХ, В	I0, А	Р0, Вт	I0, %	cosφ0	Z0, Ом	R0, Ом	X0, Ом	n

4.5. Снять внешнюю характеристику и зависимость для активной нагрузки, создаваемой при помощи резисторов R ₁ – R ₃.

При выполнении данного опыта необходимо поддерживать U ₁ = U _{1 НОМ} . Измеряют ток I ₁ и мощность P ₁ первичной обмотки, напряжение U ₂ и ток I ₂ вторичной обмотки. Измерения проводят для пяти значений нагрузки, включая холостой ход. Данные измерений записывают в табл. 5.2.

Таблица 5.2.

№ измерен.	Опытные величины	Расчетные величины
U1НОМ, В	I1, А	Р1, Вт	U2, В	I2, А	Р2, Вт	КПД η, %
1 (из опыта х.х.)

Мощность Р ₂ для резистивной нагрузки () определяется по формуле:

. (5.19)

4.6. Провести опыт короткого замыкания. Для этого: ЛАТР вывести в нулевое положение (U ₁ = 0), установить предел измерения вольтметра V ₁ в 30 В, перемычкой замкнуть накоротко зажимы а, х вторичной обмотки трансформатора. Затем с помощью автотрансформатора (ЛАТР) на первичную обмотку следует подать напряжение, при котором (предварительно нужно вычислить номинальный ток). Затем произвести измерения напряжения короткого замыкания U_k, тока I_k и мощности к.з. P_k. Результаты измерений записать в табл. 5.3.

После проведения опыта короткого замыкания отключить трансформатор. Предъявить данные всех опытов преподавателю и только после его разрешения снять напряжение со стенда и разобрать схему.

4.7. Вычислить КПД по формуле п.2.6 для номинальной нагрузки и сравнить с опытными данными. При расчете номинальная мощность определяется по паспортным данным трансформатора:

, (5.20)

а остальные параметры – из данных опытов холостого хода и короткого замыкания.

Таблица 5.3.

Опытные величины	Расчетные величины
I1HOM, А	Uk , В	Рk, Вт	соsφk	Uk , %	Zk , Ом	Rk, Ом	Xk, Ом	R1, Ом	X1 s, Ом

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

В отчете приводятся:

5.1. Паспортные данные трансформатора и технические данные используемых измерительных приборов;

5.2. Схема проведения опытов (рис.5.5);

5.3. Табл. 5.1 – 5.3 с результатами расчетов;

5.4. Графики внешней характеристики и зависимости КПД от тока нагрузки. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Дайте определение трансформатора.

6.2. Как проводится опыт холостого хода?

6.3. Как проводится опыт короткого замыкания?

6.4. Почему в опыте холостого хода пренебрегают потерями в обмотках, а в опыте короткого замыкания – потерями в стали?

6.5. Для чего магнитопровод трансформатора изготавливают из листов стали, изолированных друг от друга?

6.6. Чем отличается стержневой трансформатор от броневого?

6.7. Что представляет собой внешняя характеристика трансформатора?

6.8. С какой целью проводится опыт короткого замыкания?

6.9. Что представляет собой разность P ₁ – Р ₂?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6