Лабораторна робота № 3.8. Визначення ККД трансформатора

 

Мета роботи: вивчити явища самоіндукції та взаємоіндукції; визначити залежність ККД трансформатора від струму навантаження.

 

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: явище електромагнітної індукції; явище самоіндукції; індуктивність; явище взаємної індукції, трансформатор.

Література: [ 1, т.2§§ 10.1, 10.2, 10.5; 2, §§ 122, 123, 128, 129; 3, §§ 9.8, 9.9; 4, т.2 §§ 60, 61, 66; 7, §§ 3.3.8-3.3.10].

 

Перед виконанням слід ознайомитися з вказівками до робіт
№ 3.6, № 3.9.

Явище виникнення електрорушійної сили індукції в замкненому контурі, розміщеному близько до замкненого контуру, в якому тече змінний струм, називають явищем взаємної індукції.

Контури зі змінними струмами, в яких виникає явище взаємоіндукції через взаємне перетинання магнітних потоків, мають індукційний зв’язок. Електрорушійні сили , що виникають унаслідок взаємоіндукції, пропорційні швидкості змін струмів у контурах, які мають індуктивний зв’язок (за законом Генрі):

та ,

де , і мають назву к оефіцієнтів взаємної індуктивності контурів.

Коефіцієнти взаємоіндукції, які є мірою магнітного зв’язку між контурами, залежать від геометричної форми, розмірів і взаємного розміщення контурів зі струмом, а також від магнітних властивостей середовища, у якому розміщені контури.

На практиці для збільшення значення обидва контури насаджують на спільне залізне осердя, котре виготовляють із матеріалів з магнітною проникністю , до яких належать феромагнетики.

Явище взаємної індукції покладено в основу роботи трансформатора – пристрою для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги за сталої частоти струму. Трансформатор складається з двох або більше обмоток, що мають спільне осердя з феромагнітного матеріалу (рис. 3.8.1).

Розрізняють два режими роботи трансформатора: холостий хід і робота навантаженого трансформатора. У режимі холостого ходу вторинна обмотка трансформатора розімкнена (трансформатор не навантажений). При цьому струм у первинній обмотці мінімальний і визначається повним опором обмотки за змінного струму:

, (3.8.1)

де R ₁ – активний опір обмотки; w =2πν – циклічна частота змінного струму (ν = 50 Гц); L ₁ – індуктивність обмотки; w L ₁ – індуктивний опір первинної обмотки.

Робота трансформатора на навантаження супроводжується зменшенням індуктивного опору первинної обмотки, струм у ній зростає пропорційно навантаженню. Нехтуючи втратами енергії, які у сучасних трансформаторах не перевищують 2%, на підставі закону збереження енергії можна записати, що потужність струму в обох обмотках трансформатора практично однакова, тобто:

. (3.8.2)

Трансформатор характеризується коефіцієнтом трансформації:

. (3.8.3)

Коефіцієнт трансформації чисельно дорівнює відношенню кількості витків другої обмотки трансформатора до кількості витків першої обмотки та показує, у скільки разів змінюється вихідна напруга порівняно із напругою на вході трансформатора. Якщо , то трансформатор підвищує напругу і його називають підвищувальним, а за трансформатор є знижувальним.

Розрізняють два види втрат потужності в трансформаторі: втрати в обмотках та втрати в осерді. Втрати потужності в обмотках виникають внаслідок їхнього нагрівання під час проходження струму (згідно із законом Джоуля – Ленца). Для зменшення цих втрат обмотки виготовляють з провідників, які мають малий питомий опір, наприклад, з міді.

Втрати в осерді зводяться до трьох факторів: виділення тепла від наведених струмів (струмів Фуко); втрати енергії, пов’язані з перемагнічуванням осердя; втрати внаслідок розсіювання магнітних силових ліній. Для протидії струмам Фуко осердя виготовляють з тонких пластин, ізольованих одна від одної. Для боротьби з втратами на перемагнічування осердя виготовляють з феромагнетику з малою коерцитивною силою. Коерцитивна сила
H _K – це напруженість такого зовнішнього магнітного поля (рис. 3.8.2), яка потрібна для розмагнічування осердя. Зменшення втрат шляхом розсіяння силових ліній досягають спеціальною геометричною формою осердя.

Коефіцієнтом корисної дії (ККД) називається відношення корисної потужності до витраченої:

. (3.8.4)

Якщо втрати потужності виразити через D Р, формулу (3.8.4) можна записати у такому вигляді:

. (3.8.5)

Найпростіше врахувати втрати потужності можна так:

, (3.8.6)

де , − потужності теплових втрат відповідно в первинній та вторинній обмотці; – потужність холостого ходу (враховуються всі види втрат, крім втрат в обмотках).

Тому остаточний вираз для розрахунку ККД трансформатора набуває такого вигляду:

. (3.8.7)

Трансформатори різняться за призначенням, розмірами, типами і видами залежно від потреб конкретних споживачів електричного струму.

Трансформатори є основними елементами систем енергопостачання, електромашин, електрообладнання, електроустановок та їхніх деталей для отримання потрібної для них напруги живлення. Зокрема, можна виділити трансформатори для зварювальних апаратів, апаратів для прогріву бетону, ґрунту і труб, трансформатори для компресорів, транспортерів, бетономішалок, електроприводів будівельних машин, насосних и компресорних установок, гідродинамічні трансформатори для будівельних і транспортних машин, трансформатори для освітлення будівельних майданчиків, ручних електричних машин та інших споживачів енергії.

 

Порядок виконання роботи

1. Скласти схему, подану на рис. 3.8.3.

2. Під’єднати установку до мережі 220 В і за розімкненої вторинної обмотки визначити за показниками ватметра потужність холостого ходу .

3. Замкнути вторинне коло (рис. 3.8.3) і за різних положень повзунка реостата R знайти І ₁, І ₂ та Р.

4. За формулою (3.8.7) розрахувати ККД трансформатора в усіх випадках.

5. Одержані результати записати до табл. 3.8.1.

6. За одержаними результатами побудувати графік залежності .

Таблиця 3.8.1

№ пор.	І 1, А	І 2, А	Р, Вт	h, %

 

Контрольні запитання

1. У чому полягає суть явища електромагнітної індукції? Сформулюйте закон Фарадея для явища електромагнітної індукції.

2. Що називають магнітним потоком? Сформулюйте правило Ленца.

3. Дайте визначення явища взаємоіндукції.

4. Що таке коефіцієнт взаємоіндукції, і від чого він залежить?

5. Що таке трансформатор? Опишіть його будову.

6. Що називають коефіцієнтом трансформації? Які трансформатори називають підвищувальними? знижувальними?

7. Як обчислити ККД трансформатора?

8. Наведіть приклади втрат потужності у трансформаторі. Поясніть, якими методами зменшують кожний вид втрат.

Лабораторна робота № 3.9. ВИЗНАЧЕННЯ ІНДУКТИВНОСТІ
КОТУШКИ І ДРОСЕЛЯ

 

Мета роботи: вивчити явище самоіндукції; визначити індуктивність котушки і дроселя.

 

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: явище електромагнітної індукції; правило Ленца; явище самоіндукції; індуктивність.

Література: [ 1, т.2, §§ 10.1, 10.2, 10.4; 2, §§ 122, 123, 126; 3, §§ 9.8, 9.9; 4, т.2, §§ 60, 61, 64; 7, §§ 3.3.8-3.3.10].

 

Перед виконанням слід ознайомитися з вказівками до робіт
№ 3.6, № 3.8.

Якщо у провідному контурі протікає струм , то в просторі виникає магнітне поле, індукція якого в кожній точці за законом Біо – Савара – Лапласа пропорційна силі струму. В результаті контур пронизує власний магнітний потік (або з контуром зчеплений магнітний потік), величина якого пропорційна силі струму:

, (3.9.1.)

де – індуктивність контуру.

Індуктивність контуру – це коефіцієнт пропорційності, який не залежить від сили струму й індукції магнітного поля, а є однозначною характеристикою провідного контуру, що визначається формою і розмірами контуру, а також магнітними властивостями навколишнього середовища.

Котушка довжиною з N витками заповнена матеріалом з магнітною проникністю , має індуктивність:

, (3.9.2)

де S – площа перерізу котушки. Котушку, в яку вставлене осердя з матеріалом, магнітна проникність котрого , називають дроселем.

Явище виникнення індукційного струму в провіднику внаслідок зміни магнітного потоку, зумовленої зміною струму в тому самому провіднику, називають самоіндукцією.

Величина електрорушійної сили самоіндукції була визначена американським фізиком Дж. Генрі (за ):

. (3.9.3)

З останнього виразу випливає, що індуктивність - це характеристика, що визначає міру інертних властивостей провідника стосовно зміни струму, чисельно дорівнює тій ЕРС самоіндукції, що виникає в контурі за швидкості зміни сили струму в ньому 1А за 1с:

.

Якщо до котушки індуктивністю L прикласти змінну напругу частоти :

,

то струм у колі:

, (3.9.4)

де величину називають індуктивним опором.

Провідник, з якого виконано котушку, має омічний (активний) опір R. В результаті повний опір котушки індуктивності:

. (3.9.5)

Змінний струм з циклічною частотою w характеризують частотою , тому з формули (3.9.5) випливає, що

. (3.9.6)

Тобто омічний опір R та повний опір Z котушки індуктивності (або дроселя) можна визначити так:

та , (3.9.7)

де U _о, U − напруга на котушці відповідно за постійного та змінного струму; I _о, I − відповідно сила постійного та змінного струму.

 

Для знаходження активного опору котушки використовують постійний струм. Прилади вмикають у коло за схемою, поданою на рис. 3.9.1. Джерелом постійного струму є випрямляч.

А

V

Рис. 3.9.1

А

V

~

Рис. 3.9.2

Для знаходження повного опору котушки без осердя Z та котушки з осердям (дроселя) Z ₁ використовують змінний струм. Коло складають за схемою, поданою на рис. 3.9.2.

Опір R, Z і Z ₁ слід визначати не менш ніж три рази за струму різної сили, а потім розрахувати середні значення цих величин.

У разі розмикання або замикання електричних кіл сила струму в них різко змінюється, що призводить до виникнення струмів самоіндукції, які називають екстраструмами самоіндукції.

Для екстраструму розмикання .

Для екстраструму замикання .

Якщо електричне коло містить котушки з великими значеннями індуктивності , то екстраструми розмикання в таких колах можуть значно перевищувати струми в колі від джерела. Часто це стає причиною яскравого спалаху лампочок і плавлення запобіжників внаслідок розмикання електричних кіл споживачів. Великі струми самоіндукції через швидке вимкнення спричиняють пробій повітряного проміжку між контактами вимикачів і появу дугового розряду, що призводить до плавлення контактів. Для гасіння дуги в коло вмикають конденсатори. Явище самоіндукції використовують в пускачах ламп денного освітлення для запалювання газового розряду.

 

 

Порядок виконання роботи

1. Скласти коло постійного струму, схему якого подано на рис. 3.9.1.

2. Виміряти напругу U _о за трьох показників сили струму I _о. Результати записати в табл. 3.9.1.

3. Скласти коло змінного струму за схемою, що подано на рис. 3.9.2.

4. Виміряти напругу U за трьох показників сили струму I. Результати вимірів записати в табл. 3.9.1.

5. Вставити осердя та виконати виміри, передбачені п. 4, для дроселя.

6. За формулами (3.9.7) розрахувати активний опір котушки R, повний опір котушки Z та повний опір дроселя Z ₁.

7. Розрахувати середні значення R, Z та Z ₁.

8. За формулою (3.9.6) знайти індуктивність котушки і дроселя .

9. Розрахувати магнітну проникність осердя за формулою (3.9.2).

Таблиця 3.9.1

№ пор.	I о,A	U о,B	R,Oм	I,A	U,B	Z,Oм	I 1,A	U 1,B	Z 1,Oм

 

Контрольні запитання

1. У чому полягає суть явища електромагнітної індукції? Сформулюйте закон Фарадея для явища електромагнітної індукції.

2. Що називають магнітним потоком?

3. Сформулюйте правило Ленца.

4. У чому полягає суть явища самоіндукції?

5. Запишіть закон Генрі для явища самоіндукції.

6. Дайте визначення індуктивності контуру.

7. Що таке індуктивність котушки і від чого вона залежить?

8. Чим відрізняється котушка від дроселя?

9. Що таке магнітна проникність речовини?

10. Дайте визначення діа-, пара- та феромагнетиків.

11. Що таке екстраструми самоіндукції? Наведіть приклади шкідливого впливу екстраструмів розмикання. Наведіть приклади їхнього використання.

Модуль 4. Коливальні та хвильові процеси. Оптика

Лабораторна робота № 4.1. Визначення параметрів
згасання коливань фізичного маятника

 

Мета роботи: вивчення основних закономірностей згасаючих коливань; визначення коефіцієнту згасання та логарифмічного декременту згасання коливань фізичного маятника.