В лаборатории электротехники и электроники

 

1. К работе в лаборатории студенты допускаются только после инструктажа по технике безопасности.

2. Каждый студент должен подготовиться к занятию по данному учебному изданию и рекомендуемой литературе: выполнить предварительный расчет к эксперименту, начертить необходимые схемы, графики и таблицы. Не подготовившиеся студенты к занятиям не допускаются.

3. Перед сборкой электрической цепи необходимо убедиться в отсутствии напряжения на элементах цепи.

4. Сборку цепи следует начинать от зажимов источника, прежде всего собрать цепи тока, а затем – цепи напряжения.

5. Перед включением источника питания на регулируемых элементах должны быть установлены заданные параметры, а регулятор ЛАТРа должен находиться в нулевом положении.

6. Включение цепи под напряжение производится только после проверки ее преподавателем или лаборантом.

7. Изменения в структуре цепи производятся при отключенном источнике питания.

8. Согласно программе работы сделать необходимые измерения и заполнить соответствующие таблицы.

9. Показать результаты преподавателю и получить разрешение на разборку цепи.

10. Привести в порядок рабочее место: разобрать цепи, аккуратно сложить провода.

11. Оформить отчет о выполненной работе согласно требованиям к содержанию отчета в конкретной работе.

12. Представить отчет о работе преподавателю, ответить на контрольные вопросы, получить зачет по выполненной работе и задание к следующему занятию.

 

 

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

 

Цель работы: изучение устройства и принципа действия трансформатора; построение схемы замещения и эксплуатационных характеристик трансформатора.

 

Общие сведения

 

Трансформатор – это электромагнитный аппарат для преобразования в цепях переменного тока электрической энергии с одним соотношением напряжения и тока в электрическую энергию с другим соотношением напряжения и тока при неизменной частоте. Он позволяет передавать от источника приемникам одну и ту же мощность при разных напряжениях и токах S = U ₁ I ₁ = U ₂ I ₂.

Трансформатор имеет замкнутый сердечник (магнитопровод), на котором находятся две (или более) обмотки, выполненные изолированным медным или алюминиевым проводом (рис. 1.1). Сердечник, собранный из тонких пластин или лент электротехнической стали с хорошей магнитной проницаемостью, служит для усиления магнитной связи между обмотками. Обмотку, подключаемую к источнику преобразуемой энергии, называют первичной (w₁), обмотку, к которой подключают приемник, – вторичной (w₂).

 

 

Рис. 1.1

Переменное напряжение источника u ₁ вызывает в первичной обмотке ток i ₁, который возбуждает магнитный поток. Основная часть потока (Ф) замыкается по магнитопроводу и наводит в обмотках ЭДС:

 

.

 

При потоке, изменяющемся с угловой частотой w = 2p f по синусоидальному закону Ф = Ф _m sin w t, действующие значения ЭДС

 

; .

 

Отношение ЭДС обмоток

 

= w ₁ / w ₂

 

называется коэффициентом трансформации.

Для определения технико-экономических показателей, построения характеристик отдельных трансформаторов и электропередач, в которых они используются, анализа аварийных режимов в таких системах и в других случаях необходима схема замещения трансформатора (рис. 1.2), являющаяся его электрической моделью. Физическая модель (см. рис. 1.1) с указанием номинальных параметров и конструктивных данных магнитопровода и обмоток трансформатора делает такие расчеты излишне сложными, неточными, а часто и невозможными.

 

 

Рис. 1.2

Параметры схемы замещения трансформатора (см. рис. 1.2) вычисляются по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

В опыте холостого хода к первичной обмотке подводится номинальное напряжение U _1ном = U _1х, а вторичная обмотка размыкается
(I _2х= 0). В опыте измеряются ток первичной обмотки I _1х, потери мощности в трансформаторе Р _хи напряжение на вторичной обмотке U _2х.

Ток холостого хода I _1ху мощных трансформаторов составляет 1…5 % от номинального тока I _1ном, у трансформаторов малой мощности – до 40 %, и в паспортных данных трансформатора указывают его процентное значение:

 

i _x % = (I _1х // I _1ном)×100 %.

 

Такой небольшой ток создает ничтожно малые потери мощности в первичной обмотке (пропорциональные квадрату тока), следовательно, потери холостого хода Р _х - это магнитные потери в стали сердечника, пропорциональные квадрату магнитного потока, а значит, квадрату напряжения: Р _х = P _ст º º . Кроме того, небольшой ток холостого хода в небольших сопротивлениях первичной обмотки создает незначительные падения напряжения, вследствие чего U _1x = U _1ном » Е _1ном (отличие между ними не превышает 1 %), а U _2x = E _2ном, так как I _2x = 0.

По результатам измерений вычисляются:

 

; ; ; .

 

Сопротивления R _x, X _x, Z _x заменяют таким образом сердечник транс-форматора: R _x – потери мощности, а Х _х– индуктивное сопротивление первичной обмотки, создаваемое основным магнитным потоком.

В опыте короткого замыкания вторичную обмотку замыкают накоротко, а на первичную обмотку подают такое пониженное напряжение U _1к, при котором токи в обмотках равны номинальным значениям I _1ном и I _2ном. Относительное значение

 

u _к = U _1к × 100 % / U _1ном

называют напряжением короткого замыкания. Оно составляет 5…10 % и характеризует внутреннее падение напряжения в трансформаторе.

В опыте короткого замыкания измеряются токи обмоток I _1к = I _1ном, I _2к = I _2ном, а также напряжение U _1к и потери мощности Р _к. Так как U _1к << U _1ном, то потери мощности в магнитопроводе, пропорциональные квадрату приложенного напряжения, ничтожны. И поскольку токи в обмотках равны номинальным значениям, то потери Р _к– это мощность потерь в обмотках трансформатора.

По данным опыта короткого замыкания вычисляются:

 

, , .

 

Данные сопротивления заменяют собой обе обмотки трансформатора. Чтобы разделить сопротивления обмоток, учитывают, что реальные сопротивления обмоток с разными номинальными напряжениями и токами имеют различные значения, но потери мощности в них и относительные потери напряжения (отнесенные к номинальным величинам) примерно одинаковы. Следовательно, по значимости, оцениваемой потерями мощности и относительными потерями напряжения, обе обмотки равноценны. Эти обстоятельства позволяют приравнять сопротивления одной (обычно первичной) обмотки к приведенным сопротивлениям другой (обычно вторичной) обмотки:

 

; ; .

 

Кроме сопротивлений приводятся также напряжения, ЭДС и токи:

 

; ; .

 

С учетом приведения сопротивления обмоток равны

 

; ; .

 

По рассчитанным параметрам строится схема замещения трансформатора (см. рис. 1.2). Так как для расчета схемы замещения использованы данные опытов холостого хода и короткого замыкания, то потери мощности в этих опытах, ток холостого хода (в процентах от номинального тока первичной обмотки) и напряжение короткого замыкания являются обязательными паспортными данными каждого трансформатора.

Эксплуатационные характеристики трансформатора строят в функции от коэффициента нагрузки. По паспортным данным расчет зависимости вторичного напряжения , коэффициента мощности , КПД h от тока нагрузки I ₂ или коэффициента нагрузки выполняют по следующим формулам:

 

1) ,

 

где активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания равны

 

; ;

 

j₂ – угол сдвига фаз между напряжением и током приемника;

 

2) ;

 

;

 

,

 

где S _ном - полная номинальная мощность;

3) .

 

Типичный вид этих характеристик приведен на рис. 1.3. КПД имеет наибольшее значение при равенстве постоянных Р _х и переменных b² P _к потерь:

 

.

 

 

Характеристики трансформаторов небольшой мощности, имеющих обычно низкий КПД, можно получить методом непосредственной нагрузки (рис. 1.4), что и предполагается в данной работе. Измерительные приборы в цепях первичной и вторичной обмоток позволяют измерить напряжения, токи, мощности, затем рассчитать коэффициент мощности и КПД (при активной нагрузке ).

 

Предварительное задание к эксперименту

 

По паспортным данным трансформатора (табл. 1.1) определить коэффициент трансформации n, номинальные токи первичной и вторичной обмоток I _1ном и I _2ном, их активные R ₁, R ₂ и реактивные X ₁, Х ₂ сопротивления, сопротивления холостого хода R _х, Х _x, а также коэффициент нагрузки , при котором КПД трансформатора максимален. Результаты расчета записать в табл. 1.2.

 

Т а б л и ц а 1.1

 

Данные	S, В×А	U 1, В	U 2, В	Рx,Вт	Р к, Вт	u к, %	i x, %
Паспортные						3,5
Опытные

 

Т а б л и ц а 1.2

 

n

I 1ном, А

I 2ном, А

R 1, Ом

X 1, Ом

R 2, Ом

X 2, Ом

R х, Ом

Х x, Ом

b = (из табл. 1.3)

U 2, В

h

cosj1

 

Начертить Т-образную схему замещения трансформатора, записать возле каждого элемента значение сопротивлений.

2. Для заданного вариантом в табл. 1.3 значения b рассчитать U ₂ , h, cosj₁ при активной нагрузке трансформатора (j₂ = 0), результаты записать в табл. 1.2. При расчете U ₂ значение U _2х принять равным 130 В.

 

Т а б л и ц а 1.3

 

Вариант
b = I 2/ I 2ном	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0