Схема замещения холостого хода

1 2

Им. Н. П. ОГАРЁВА»

Факультет электронной техники

Кафедра промышленной электроники

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

по курсу

«Электрические машины»

Трансформаторы

ЛР – 02069964– 210100– 01– 13

ВЫПОЛНИЛА: ПРОВЕРИЛ:

студентка 211 группы Ю. Б. Федотов

Е. И. Ионова

Саранск 2013

Цель работы

Рассчитать коэффициент трансформации, снять и определить характеристики холостого хода и короткого замыкания однофазного трансформатора.

Теория

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной – первичной – системы переменного тока в другую – вторичную – той же частоты, имеющую в общем случае другие характеристики, в частности другое напряжение и другой ток.

С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, а в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока.

Трансформатор состоит из сердечника и двух или нескольких обмоток, связанных между собой электромагнитно, а в автотрансформаторе также и электрически.

Различают трансформаторы однофазные, трехфазные и многофазные. Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной, другая, от которой энергия отводится, называется вторичной обмоткой. Обмотка, присоединенная к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения; обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения. Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше - повышающим.

Трансформатором с ответвлениями называется трансформатор, обмотки которого имеют специальные ответвления для изменения коэффициента трансформации трансформатора.

Сердечник трансформатора собран из листовой электротехнической стали, и служит для усиления электромагнитной связи между обмотками.

Работа трансформатора основывается на принципе электромагнитного взаимодействия двух или в общем случае любого числа контуров, неподвижных относительно друг друга.

Первичную обмотку подключают к источнику переменного тока – электрической сети с напряжением u1. К вторичной обмотке присоединяют сопротивление нагрузки Zн. При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i1, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – е1 и е2, пропорциональные, согласно закону электромагнитной индукции, числам витков w1 и w2 соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt. Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке, .

Под коэффициентом трансформации напряжений трансформатора понимают отношение эдс, наводимых в первичной и вторичной обмотках трансформатора основным магнитным потоком Ф_t.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, . При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным ток i2 во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный по времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС Е1 в первичной обмотке ток I₁=U₁/R₁ весьма большой.

Уравнения ЭДС трансформатора имеют вид:

Здесь L₁ и L₂ – полные индуктивности первичной и вторичной обмоток, соответствующие всему сцепленному с данной обмоткой потоку, М – взаимоиндуктивность обмоток.

Режимом холостого хода трансформатора называется такой режим его работы, при котором первичная обмотка включается в сеть переменного тока с частотой f, а вторичная обмотка разомкнута. Режим холостого хода позволяет определить коэффициент трансформации, ток холостого хода и потери.

При передаче энергии из первичной обмотки во вторичную возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток, а также магнитные потери в стали магнитопровода от вихревых токов и гистерезиса.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называют отношение отдаваемой мощности Р₂ к входной мощности Р₁:

или

где ΔР – суммарные потери в трансформаторе.

Высокие значения КПД трансформаторов не позволяют определить его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р₁ и Р₂, поэтому его вычисляют косвенным методом по значению потерь мощности. Потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. Получаемый при этом результат имеет высокую точность, так как при указанных опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке. Следовательно, вся мощность, поступающая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.

Ход работы

Упражнение 1. Определение коэффициента трансформации однофазного трансформатора

Рис.1.

В работе используются следующие блоки: А1 - регулируемый автотрансформатор (318.2); А2 - трёхфазная трансформаторная группа (347.3); Р1 - блок мультиметров (508.2). Автотрансформатор А1 используется в качестве регулируемого источника синусоидального напряжения промышленной частоты. Один из однофазных трансформаторов трехфазной трансформаторной группы А2 является испытуемым. С помощью мультиметров блока Р1 контролируются напряжения первичной и вторичной обмоток испытуемого трансформатора.

Порядок выполнения эксперимента:

1) Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой (рис.1).

2) Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение.

3) В трехфазной трансформаторной группе А2 переключателем установите номинальное вторичное напряжение трансформатора 133 В. Переключатель номинального первичного напряжения установите на отметку 220В.

4) Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 (контактные провода для вольтметров подключаются к клеммам СОМ и VΩ) и автотрансформатора А1.

5) Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте. Переключатель предела измерения обоих мультиметров поставьте на ~700В

6) Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1, выставьте напряжение U₁ на его выходе (выводах первичной обмотки испытуемого однофазного трансформатора) равным 200 В.

7) Измерьте с помощью мультиметра блока Р1 напряжение U₂ на выводах вторичной обмотки испытуемого однофазного трансформатора.

8) Повторите опыт для положений переключателя номинального вторичного напряжения трансформатора 220В, 225В, 230В, 235В, 240В и 245В.

9) Полученные результаты занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

U₁_ном=220 В


U₁
U₂_НОМ
U₂
K_ТР	1,67	0,98	0,96	0,94	0,92	0,90

U₁_ном=225 В


U₁
U₂_НОМ
U₂
K_ТР	1,94	1,16	1,14	1,11	1,09	1,07	1,05

U₁_ном=230 В


U₁
U₂_НОМ
U₂
K_ТР	2,02	1,22	1,19	1,16	1,14	1,12	1,09

10) Отключите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1.

11) Для каждого положения переключателя номинального вторичного напряжения трансформатора вычислите искомый коэффициент трансформации по формуле:

Упражнение 2. Снятие и определение характеристик холостого хода I₀=f(U), Р₀=f(U), cosφ₀=f(U) однофазного трансформатора

Рис.2.

В работе используются следующие блоки: А1 - регулируемый автотрансформатор (318.2); А2 - трёхфазная трансформаторная группа (347.3); Р1 - блок мультиметров (508.2); Р2 - измеритель мощностей (507.3). Автотрансформатор А1 используется в качестве регулируемого источника синусоидального напряжения промышленной частоты. Один из однофазных трансформаторов трехфазной трансформаторной группы А2 является испытуемым. С помощью мультиметров блока Р1 контролируются ток и напряжение первичной обмотки испытуемого трансформатора. С помощью измерителя Р2 контролируются активная и реактивная мощности, потребляемые испытуемым трансформатором.

Порядок выполнения эксперимента:

1) Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений (рис.2).

2) Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение.

3) Включите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

4) Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте. Предел измерения вольтметра установите ~700В, предел измерения амперметра ~200мА (для амперметра контактные провода подключаются к клеммам СОМ и А, для вольтметра к клеммам СОМ и VΩ).

5) Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1, изменяйте напряжение U на выводах первичной обмотки испытуемого однофазного трансформатора в диапазоне 0…220 В с шагом 20В и заносите показания вольтметра Р1.1 (напряжение U) и амперметра Р1.2 (ток I₀ первичной обмотки трансформатора), а также ваттметра и варметра измерителя Р2 (активная P₀ и реактивная Q₀ мощности, потребляемые трансформатором) в таблицу 2. Для измерителя мощностей пределы измерения по току 0.1А, по напряжению 300В. Для увеличения точности измерения включите чувствительность х2. Тогда при таких пределах измерения максимум шкалы измерителя мощностей будет равна 15 Вт.

Таблица 2.


U, В
I₀, мА	2,5	4,5	6,2	8,5	10,3	12,2	14,3	16,7	19,6	24,1	28,1
P₀, Вт	0,02	0,1	0,2	0,4	0,7	0,8	0,9		1,2	2,2	2,8
Q₀, Вт	0,05	0,15	0,3	0,7		1,2	1,9	2,3	3,1	4,3	4,8
Cos j₀	0,89	0,56	0,55	0,54	0,54	0,52	0,43	0,40	0,37	0,43	0,4

6) Отключите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

7) Используя полученные данные, вычислите соответствующие напряжению U значения коэффициента мощности по формуле

8) Используя данные таблицы 2, постройте искомые характеристики холостого хода I₀=f(U), Р₀=f(U), cosφ₀=f(U) однофазного трансформатора.

Схема замещения холостого хода

Упражнение 3. Снятие и определение характеристик короткого замыкания I_К=f(U), Р_К=f(U), cosφ_К= f(U) однофазного трансформатора

Рисунок 3.

В работе используются следующие блоки: А1 - регулируемый автотрансформатор (318.2); А2 - трёхфазная трансформаторная группа (347.3); Р1 - блок мультиметров (508.2); Р2 - измеритель мощностей (507.3); А13 – реостат (323.2). Автотрансформатор А1 используется в качестве источника регулируемого синусоидального напряжения промышленной частоты. Один из однофазных трансформаторов трехфазной трансформаторной группы А2 является испытуемым. Реостат А13 ограничивает темп роста тока в обмотках испытуемого трансформатора. С помощью мультиметров блока Р1 контролируются напряжения первичной и вторичной обмоток испытуемого трансформатора. С помощью измерителя Р2 контролируются активная и реактивная мощности, потребляемые испытуемым трансформатором.

Порядок выполнения эксперимента:

9) Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений (рис.3).

10) Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение.

11) В трехфазной трансформаторной группе А2 переключателем установите номинальное вторичное напряжение трансформатора 133 В.

12) Установите суммарное сопротивление реостата А13 равным 100 Ом.

13) Включите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

14) Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте. Предел измерения амперметра поставьте ~2А, предел измерения вольтметра ~20В.

15) Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 по часовой стрелке, увеличивайте ток I_К первичной обмотки испытуемого однофазного трансформатора с шагом 0,04А до тех пор пока показания амперметра Р1.2 не достигнут 0,4 А (не более!) и и на каждом шаге заносите показания амперметра Р1.2 (ток I_К), вольтметра Р1.1 (напряжение U), а также ваттметра и варметра измерителя Р2 (активная P_К и реактивная Q_К мощности, потребляемые трансформатором) в таблицу 3.

Таблица 3


I_К, А	0,04	0,08	0,12	0,16	0,20	0,24	0,28	0,32	0,36	0,40
U, В	1,43	2,77	4,17	5,54	6,9	8,25	9,62		12,5	13,85
P_К, Вт	0,05	0,22	0,5	0,9	1,3	1,92	2,2	2,95	3,40
Q_К,Вт			0,04	0,08	0,1	0,15	0,2	0,21	0,3	0,4
cos j_К			0,99	0,99	0,99	0,99	0,99	0,99	0,99	0,99