Лабораторная работа 4. Испытание однофазного трансформатора

4.1 Цель работы

Произвести испытание однофазного трансформатора в режимах холостого хода, короткого замыкания и в режиме нагрузки резистивными приемниками.

Экспериментально определить коэффициент трансформации, ток холостого хода, потери мощности в сердечнике.

Экспериментально определить напряжение короткого замыкания и потери мощности в обмотках при номинальной нагрузке.

По экспериментальным данным построить внешнюю характеристику трансформатора и определить изменение напряжения при нагрузке.

По экспериментальным данным построить рабочие характеристики трансформатора.

4.2 Теоретическое введение

Трансформатор статический электромагнитный аппарат, который посредством магнитного поля преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, который набирается из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. Делается это для уменьшения вихревых токов. На сердечнике располагаются две катушки, их называют обмотками, которые изолированы от сердечника и не имеют электрической связи друг с другом. Обмотка, которая подключается к источнику энергии, называется первичной. Обмотка, к которой подключается приемник энергии, называется вторичной. Начало и конец обмотки высшего напряжения обозначаются соответственно начальными и конечными буквами латинского алфавита «А» и «Х». Начало и конец обмотки низшего напряжения обозначаются теми же малыми буквами латинского алфавита «а» и «х». При подключении первичной обмотки, имеющей w1 витков, к источнику синусоидального напряжения — u1, в цепи первичной обмотки течет ток — i1. Намагничивающая сила этого тока i1w1 создает переменный магнитный поток Ф, основная часть которого Фосн замыкается по сердечнику, пронизывая обе обмотки. Этот поток индуцирует в обмотках электродвижущие силы:

e2=-w2.

Если вторичная обмотка замкнута, то под действием ЭДС «е2» в цепи вторичной обмотки потечет ток.

Отношение электродвижущих сил определяется отношением чисел витков первичной и вторичной обмоток и для данного трансформатора есть постоянная величина, которая называется коэффициентом трансформации:

k12== .

Величина коэффициента трансформации может быть найдена экспериментально или вычислена по паспортным данным.

В паспорт трансформатора заносятся номинальная мощность S, номинальные напряжения и токи обмоток.

Номинальной полезной мощностью трансформатора называется полная мощность на зажимах вторичной обмотки — S2н.

Она приблизительно равна полной мощности потребляемой первичной обмоткой — S1н, т. е.:

S1нS2н=Sн.

Номинальным напряжением обмотки U1н, U2н называется напряжение на ее зажимах при холостом ходе трансформатора.

Номинальным током называется ток, связанный с номинальной мощностью и номинальным напряжением соотношением:

Iн=.

Эксплуатационные характеристики трансформатора определяются изменением вторичного напряжения при нагрузке, потерями мощности в сердечнике и обмотках, коэффициентом полезного действия. Все эти величины могут быть рассчитаны по данным опытов холостого хода и короткого замыкания, которые характеризуют работу трансформатора в предельных режимах нагрузки: при ее отсутствии I2 = 0 и номинальной — I2 = I2н. Основным режимом работы трансформатора является режим нагрузки, когда вторичная обмотка замкнута на приемник и по ней протекает ток i2. Сила тока i2 определяется величинами ЭДС е2 и полного сопротивления вторичной цепи. При наиболее распространенной индуктивной нагрузке, ток вторичной обмотки отстает от ЭДС — е2 по фазе, при емкостной — опережает ЭДС на некоторый угол, определяемый параметрами вторичной цепи.

Появление тока во вторичной обмотке сопровождается появлением намагничивающей силы — i2w2, которая создает в сердечнике магнитный поток, направленный, в соответствии с принципом Ленца, навстречу потоку первичной обмотки, т. е. магнитный поток вторичной обмотки стремится размагнитить магнитопровод. Увеличение вторичного тока приводит к возрастанию мощности вторичной цепи — i2е2.

Согласно закону сохранения энергии это вызывает рост мощности потребляемой первичной обмоткой из сети — i1u? и, следовательно, при неизменной величине первичного напряжения увеличение тока вторичной обмотки приводит к возрастанию тока первичной обмотки.

Одновременно с увеличением тока первичной обмотки возрастает и намагничивающая сила — i1w??? прирост которой, компенсирует размагничивающее действие вторичного тока.

Магнитный поток в сердечнике трансформатора при нагрузках от 0 до номинальной остается неизменным.

Протекание тока во вторичной обмотке трансформатора вызывает падение напряжения в ее активном и индуктивном сопротивлениях. Поэтому ЭДС — E2 несколько отличается от напряжения U2 на зажимах вторичной обмотки.

Отклонение величины вторичного напряжения трансформатора от напряжения холостого хода, выраженное в процентах, называется изменением напряжения трансформатора при нагрузке:

?u=•100%

Эта величина может быть рассчитана по данным опыта холостого хода и опыта нагрузки, или определена по внешней характеристике, которая представляет собой зависимость вторичного напряжения от коэффициента загрузки — U2 = f (в). При индуктивной и резистивной нагрузках вторичное напряжение уменьшается с ростом вторичного тока, а при емкостной немного растет. При номинальной нагрузке уменьшение напряжения будет тем больше, чем больше полные сопротивления обмоток.

У силовых трансформаторов изменение напряжения составляет 5−10%. Чтобы устранить нежелательное уменьшение напряжения на приемниках, трансформатор проектируют так, чтобы напряжение холостого хода U20 было на 5% больше номинального напряжения приемников, кроме того предусматривается возможность изменения числа витков одной из обмоток при возрастании нагрузки.

• 4.3 Рабочее задание
• 1. Паспортные данные трансформатора занесите в рабочий журнал.

Таблица 4.1 Паспортные данные трансформатора ОСМ-О16У3.

• 2. Занесите в рабочий журнал технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе. Форма таблицы приведена на стр. 3.
• 3. Соберите схему, изображенную на рисунке 4.2. Клеммы, маркированные символами «I*; 2,5; U*; U», находятся на ваттметре.

Диапазон измерения вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки, установите 0−300 В, диапазон измерения вольтметра, включенного в цепь вторичной обмотки, установите 0−150 В.

Диапазон измерения амперметра установите 0−1 А. Диапазон измерения ваттметра установите 0−187,5 Вт.

Предъявите цепь для проверки преподавателю.

Автоматическим выключателем «АП», расположенным на панели источников питания, подайте напряжение на стенд. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Магнитным пускателем, кнопки которого расположены на панели источников питания над клеммами 0~250, подайте напряжение на панель схему. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Регулятором напряжения «ЛАТР», расположенным на панели блока питания, установите на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение.

Показания приборов занесите в таблицу 4.3.

11. Регулятором напряжения «ЛАТР», расположенным на панели блока питания, снимите напряжение с первичной обмотки трансформатора.

Автоматическим выключателем «АП», расположенным на панели блока питания, отключите стенд от сети, при этом на панели блока питания сигнальные лампы должны погаснуть.

Соберите цепь, изображенную на рисунке 4.3.

Диапазон измерения вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки, установите 0−75 В.

Диапазон измерения амперметра, включенного в цепь вторичной обмотки, установите 0−2,5 А.

Внимательно прочитайте условия проведения опыта короткого замыкания.

ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ПЕРВИЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ УСТАНОВИТЕ ТАКИМ, ЧТОБЫ В ЦЕПИ ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКИ ПРОТЕКАЛ НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК.

17. Ручку регулятора напряжения «ЛАТР», расположенного на панели блока питания стенда, установите в крайнее положение, по направлению противоположному движению часовой стрелки.

Предъявите цепь для проверки преподавателю.

Автоматическим выключателем «АП», расположенным на панели источников питания, подайте напряжение на стенд. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Магнитным пускателем, кнопки которого расположены на панели источников питания над клеммами 0~250, подайте напряжение на панель схему. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Регулятором напряжения «ЛАТР», расположенным на панели блока питания, установите номинальный ток на первичной обмотке трансформатора.

Показания приборов занесите в таблицу 4.4.

Таблица 4.4 Результаты испытания трансформатора ОСМ-О16У3 в режиме короткого замыкания.

23. Регулятором напряжения «ЛАТР», расположенным на панели блока питания, снимите напряжение с первичной обмотки трансформатора.

Автоматическим выключателем «АП», расположенным на панели блока питания, отключите стенд от сети, при этом на панели блока питания сигнальные лампы должны погаснуть.

Соберите цепь, изображенную на рисунке 4.4.

Диапазон измерения вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки, установите 0−300 В. Диапазон измерения ваттметра установите 0−375 Вт.

Предъявите цепь для проверки преподавателю.

Автоматическим выключателем «АП», расположенным на панели источников питания, подайте напряжение на стенд. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Магнитным пускателем, кнопки которого расположены на панели источников питания над клеммами 0~250, подайте напряжение на панель схему. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Регулятором напряжения «ЛАТР», расположенным на панели блока питания, установите на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение.

Снимите показания приборов для 4−7 значений вторичного тока. Величину тока изменяйте постепенным увеличением количества включенных резисторов.

33. Показания приборов занесите в таблицу 4.5.

Таблица 4.5 Результаты испытания трансформатора ОСМ-О16У3 под нагрузкой.

Регулятором напряжения «ЛАТР», расположенным на панели блока питания, снимите напряжение с первичной обмотки трансформатора.

Автоматическим выключателем «АП», расположенным на панели блока питания, отключите стенд от сети.

Предъявите результаты экспериментов преподавателю.

4.4 Рекомендации по обработке экспериментальных данных

Опыт холостого хода

Так как в опыте холостого хода вторичная обмотка замкнута на вольтметр, можно считать, что ток вторичной обмотки I20=0, падение напряжения во вторичной обмотке также равно нулю, а ЭДС вторичной обмотки равна показанию вольтметра, т. е. Е2=U20. Ввиду малости тока холостого хода, падением напряжения в первичной обмотке можно пренебречь и считать, что E1?U10, тогда отношение электродвижущих сил в формуле (4.3) можно заменить отношением напряжений. Используя данные табл. 4.1 и 4.2, можно рассчитать i0= (I10/ I1Н)100%. Схема замещения трансформатора на холостом ходу (рис. 4.5) содержит только элементы намагничивающей цепи R12 и Х12. Для нее известны, измеренные экспериментально, напряжение U10, мощность P10 и ток холостого хода I10.

Эти данные позволяют, пользуясь законами Ома, Джоуля-Ленца и треугольником сопротивлений, определить сопротивления намагничивающей цепи: полное — z12, активное — R12, реактивное — Х12 и коэффициент мощности, также как это делали при выполнении работы «Последовательная цепь переменного тока».

Опыт короткого замыкания

Так как в опыте короткого замыкания напряжение, подводимое к первичной обмотке, много меньше номинального, магнитный поток в сердечнике также мал.

Схема замещения трансформатора (рис. 4.6) содержит только элементы, учитывающие потери в обмотках (Rк) и индуктивное падение напряжения (Хк). Измеренные значения напряжения короткого замыкания U1к, мощности потерь короткого замыкания Рк и тока I1н, позволяют вычислить параметры схемы замещения (Rк — активное сопротивление, Хк — индуктивное сопротивление, zк — полное сопротивление, а также коэффициент мощности при коротком замыкании), точно так же, как это делали при обработке экспериментальных данных опыта холостого хода, и при выполнении работы «Последовательная цепь переменного тока».

Опыт нагрузки

Коэффициентом загрузки — в называется отношение тока, протекающего в обмотках трансформатора, к номинальному току той же обмотки. Активная мощность Р2, передаваемая в нагрузку, равна активной мощности Р1, измеренной экспериментально, за вычетом всех потерь мощности:

P2=P1-PFe-PCu.

Преобразование энергии в трансформаторе сопровождается потерями энергии на перемагничивание сердечника и нагрев обмоток.

Потери в сердечнике для данного трансформатора постоянны, не зависят от нагрузки и определяются в опыте холостого хода, т. е.

PFe=P10 .

Потери в медных обмотках пропорциональны квадрату коэффициента загрузки: электрический ток резистор трансформатор

PCu=в2Pк.

Коэффициент мощности определяется соотношением активной и полной мощностей, потребляемых трансформатором из сети:

Cosц=

Коэффициент полезного действия это отношение активной мощности, передаваемой в нагрузку, к активной мощности, получаемой трансформатором из сети:

з=.

4.5 Содержание графической части и выводов

Постройте графики зависимости вторичного напряжения — U2, мощности — Р2, коэффициента мощности Cosц1 и коэффициента полезного действия — з ?от коэффициента загрузки — в. Укажите экспериментальные значения коэффициента трансформации, тока холостого хода в процентах, потерь мощности в стальном сердечнике, напряжения короткого замыкания в процентах и потерь мощности в обмотках при номинальной нагрузке.

Сделайте заключение о цели проведения опыта холостого хода.

Сделайте заключение о цели проведения опыта короткого замыкания.

Сделайте вывод о влиянии коэффициента загрузки на величину вторичного напряжения. Приведите значение изменения вторичного напряжения при нагрузке при ее изменении от 0 до номинальной.

Сделайте вывод о влиянии коэффициента загрузки на величину КПД трансформатора. Отметьте значение коэффициента загрузки, при котором КПД достигает максимальной величины. Сформулируйте условие, при котором КПД трансформатора достигает максимума.

Сделайте вывод о влиянии коэффициента загрузки на величины мощности Р2 и коэффициента мощности Cosц.

4. 6 Контрольные вопросы

Какой закон физики положен в основу принципа действия трансформатора?

От каких величин зависят ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора?

С какой целью проводятся опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора?

Как проводится опыт холостого хода?

Как проводится опыт короткого замыкания?

Что такое коэффициент трансформации?

Как определить коэффициент трансформации экспериментально?

Как определить потери мощности в сердечнике экспериментально?

Как определить потери мощности в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке?

При каком условии КПД трансформатора достигает максимального значения?

Что показывает коэффициент трансформации?

Для чего предназначен сердечник трансформатора?

Как осуществляется передача энергии из первичной обмотки во вторичную?

Как изменятся потери в сердечнике при увеличении нагрузки?

С какой целью сердечник трансформатора выполняется из отдельных, изолированных листов стали?

Как вычислить потери мощности в обмотках трансформатора по паспортным данным?

Что означает термин: «Ток холостого хода 5%»?

Как влияет коэффициент загрузки на КПД?

Как изменится вторичное напряжение трансформатора при уменьшении сопротивления индуктивного приемника?

Как изменится магнитный поток в сердечнике при увеличении нагрузки?

Запишите уравнение трансформаторной ЭДС.

Как вычислить изменение напряжения трансформатора при нагрузке?

Что такое полная мощность трансформатора?

Что такое номинальное напряжение трансформатора?

Как изменится вторичное напряжение при уменьшении числа витков первичной обмотки?