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 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 _m и х_М - активное и индуктивное сопротивления ветви намагничивания.

 

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 приведенного трансформатора в режиме холостого хода

 

2.3 Опыт холостого хода трансформатора. Этот опыт проводится для определения:

Ÿ коэффициента трансформации трансформатора;

Ÿ тока холостого хода;

Ÿ мощности потерь холостого хода, т.е. мощности потерь в стали;

Ÿ параметров ветви холостого хода (R _м и х _м).

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, указанного в паспортной табличке:

. (5.2)

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: . (5.3)

Активное сопротивление ветви холостого хода определяют по закону Джо­уля-Ленца: . (5.4)

Индуктивное сопротивление ветви холостого хода находят из треугольника проводимостей:

. (5.5)

Коэффициент мощности при холостом ходе: . (5.6)

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 . (5.7)

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:

Ÿ напряжения короткого замыкания U_К;

Ÿ мощности потерь при коротком замыкании Р_К;

Ÿ 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:

. (5.8)

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

, (5.9)

затем активное сопротивление короткого замыкания

(5.10)

и индуктивное сопротивление короткого замыкания:

. (5.11)

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

. (5.12)

Индуктивные сопротивления x _1s и х' _2s:

. (5.13)

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:

, (5.14)

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:

. (5.15)

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:

. (5.16)

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:

,

где 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 трансформатора и технические данные из­мерительных приборов (тип, класс точности, пределы измерения, количество делений шкалы). 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 _{2 НОМ} , 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	U2НОМ, В	I0, А	Р0, Вт	I0, %	cosφ0	Z0, Ом	R0, Ом	X0, Ом	η

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_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	η
1(из опыта х.х.)

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

.

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 внести 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:

,

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. Таблицы 1,2,3 с результатами расчетов;

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

6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Как проводится опыт холостого хода?

6.2. Как проводится опыт короткого замыкания?

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

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

6.5. Чем отличается стержневой трансформатор от броневого?

6.6. Что представляет собой внешняя характеристика трансформатора?

6.7. С какой целью проводится опыт короткого замыкания?

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

7 ЛИТЕРАТУРА

7.1 «Электротехника и электроника» Кн.2 «Электромагнитные устройства и электрические машины». Под ред. В. Г. Герасимова, Электроатомиздат, М. 1997 г.

7.2 Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника.- М.: Высшая школа, 2000 г.

 

Лабораторная работа № 6