Изучение устройства и работы трансформатора

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

1. Трансформатор - универсальный, разборный с двумя катушками (катушка 120/220 В и катушка 6/6 В)

2. Вольтметр V₁ с пределом измерения 60 В (общий) и вольтметр V₂ с пределами измерения от 1,5 до 15 В.

3. Амперметр с пределом измерения 2,5 А.

4. Миллиамперметр с пределом измерения 1А.

5. Лампа накаливания на 6-12 В.

6. Ключ.

7. Соединительные провода.

Цель работы:

Познакомится с устройством трансформатора и режимами его работы.

Исследовать зависимость силы тока холостого хода от индуктивности сердечника.

Научиться, опытным путем определять коэффициент трансформации и к.п.д. трансформатора.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Потребителям электроэнергии нужен электрический ток различных напряжений. Переменный ток обладает преимуществом перед постоянным: его напряжение легко поддаётся изменению с помощью явления электромагнитной индукции. Способы преобразования напряжения постоянного тока весьма сложны.

Прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте называют трансформатором.

рис. 1

Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, сделанного из мягкой стали, на который надеты две (иногда и больше) изолированные друг от друга катушки (их называют обмотками). Обмотки имеют разное число витков. Обмотка, которая подключается к источнику переменного тока, называется первичной. Число витков в ней обозначим П1. Обмотка, соединенная с потребителем, называется вторичной. Число витков в ней обозначим П2 (см. рис. 1).

Режим работы трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой называется холостым ходом трансформатора I_xx. Трансформатор потребляет небольшую мощность холостого хода. Эта мощность расходуется на перемагничивание сердечника и нагревание проводника первичной катушки Р_хх.

Под действием тока в сердечнике создаётся переменный магнитный поток, который наводит e₁ -Э.Д.С. в первичной катушке и e₂ - Э.Д.С. во вторичной катушке. По закону Фарадея величины этих Э.Д.С. равны:

(1) (2)

Разделив (1) на (2), получим, что индуцированные Э.Д.С. пропорциональны числу витков в обмотках:

(3)

Отношение числа первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называют коэффициентом трансформации.

Если числа витков во вторичной обмотке больше чем в первичной , то трансформатор называют повышающим. У такого трансформатора с вторичной обмотки снимают напряжение больше, чем-то, которое подано на первичную катушку. У повышающих трансформаторов К < 1. Если число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной , то трансформатор называется понижающим. У такого трансформатора с вторичной обмотки снимают напряжение меньше, чем-то, которое подано на первичную катушку.

У понижающих трансформаторов К > 1. Когда к клеммам вторичной обмотки подключается нагрузка, трансформатор начинает работать в режиме нагруженного трансформатора. При этом режиме ток вторичной обмотки создает в сердечнике магнитный поток, направленный против потока первичной обмотки.

Поэтому индуктивное сопротивление первичной катушки уменьшается, а ток в первичной обмотке будет возрастать до тех пор, пока не восстановится начальное значение магнитного потока в сердечнике.

Поэтому действующее значение тока в первичной обмотке нагруженного трансформатора больше тока холостого хода.

Поскольку магнитный поток обмотки пропорционален числу ее витков и току, то можно приближенно принять, что

Тогда получим, что:

Т.е. сила тока в обмотках обратно пропорциональна числу витков. Обозначим: - мощность, потребляемую первичной обмоткой, из сети. - мощность, потребляемую потребителем со вторичной обмотки.

Величина - называется коэффициентом полезного действия (к.п.д.) трансформатора.

По закону сохранения энергии: ,

где: - мощность, теряемая на теплоту, выделяющуюся в обеих обмотках по закону Джоуля-Ленца, - потери на перемагничивание стального сердечника трансформатора.

2. ХОД РАБОТЫ.

Задание 1.

Исследование зависимости тока и мощности холостого хода от индуктивности сердечника.

рис.2

Цена одного деления миллиамперметра = …

Состояние сердечника	Сердечник в полном сборе	Сердечник без ярма	Сердечник частично выдвинут из первичной обмотки
Сила тока в первичной обмотке
Дел	А	Дел	А	Дел	А
Напряжение на клеммах сети
В	В	В
Мощность, потребляемая из сети первичной обмотки
Вт	Вт	Вт

1. Соберите схему по рис.2. Миллиамперметр установите на предел измерения силы тока до 1А.

2. Включите вилку первичной обмотки в сеть и измерьте силу тока при состоянии, когда сердечник находится в полном сборе. Значение силы тока запишите в таблицу,

3. Отвинтите прижимаемые винты, прижимающие ярмо к стальной части сердечника и снимите их.

4. Выдвиньте первичную обмотку из сердечника до тех пор, пока сила тока не будет равна 1 А. Запишите это значение тока в таблицу.

5. Выключите трансформатор из сети. Соберите сердечник полностью и закрепите ярмо прижимами с обеих сторон.

6. Вычислите мощность, потребляемую из сети первичной обмотки, и сделайте вывод о том, как и почему меняется сила тока и мощность в цепи первичной катушки при различных состояниях сердечника.

Задание 2:

Определение коэффициента трансформации.

1.Соберите схему по рис.3. Вольтметр, подключенный ко второй обмотке, установите на 7,5В.

2. Включите в сеть первичную обмотку.

3. Измерьте напряжение - на клеммах первичной обмотки и на клеммах вторичной обмотки при работе трансформатора в режиме холостого хода

4.Определите цену одного деления вольтметр V₂ с пределами измерения от 1,5 до 15 В.

5. Вычислите коэффициент трансформации по формуле:

6. Сравните полученные результаты со значением , полученным по формуле: ,

где - величина напряжения, указанная между клеммами первичной обмотки, к которым подключена сеть переменного тока (120 В);

- величина напряжения, указанная между клеммами вторичной обмотки к клеммам, к которым подключен вольтметр (12 В).

7. Вычислить погрешность полученного результата по формуле:[25]

Задание 3:

Вычислите К.П. Д. трансформатора.

1. Соберите схему по рис.4.

2. Выключите ключ К в цепи нагрузки трансформатора, после проверки цепи преподавателем или лаборантом.

3. Включите первичную обмотку в сеть.

4. Измерьте силу тока и напряжение в цепи первичной обмотки ( и ) и в цепи вторичной обмотки ( и ).

5. Определите цену одного деления вольтметр V₂ с пределами измерения от 1,5 до 15 В, амперметра с пределом измерения 2,5 А, миллиамперметра с пределом измерения 1А.

Ц.д. А₂ = …

Ц.д. V₂ = …

Ц.д. mА = …

6. Вычислите мощность - потребляемую первичной обмоткой из сети.

7. Вычислите мощность - потребляемую нагрузкой со вторичной обмотки.

8. Вычислите К.П.Д. трансформатора по формуле: × 100%.

9. Сравните полученное со значением из задания 1[26].

10. Сделайте вывод о проделанной работе по изучению трансформатора и измерения величин, его характеризующих.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ.

1. В чем заключается преимущество переменного тока перед постоянным?

2. Что такое трансформатор? Устройство трансформатора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО УРОВНЯ.

3. Коэффициент трансформации (формула, понятие).

4. Какие трансформаторы называют понижающими, а какие повышающими?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.

5. Как опытным путем определить коэффициент трансформации и КПД трансформатора?

6. Устройство трансформатора и режимы его работы.

7. Как зависит сила тока холостого хода от индуктивности сердечника?

Лабораторная работа №13.