Основні теоретичні відомості

Трансформатор - найважливіший елемент сучасних енергетичних систем - є статичним електромагнітним апаратом, що призначений для перетворення енергії змінного струму однієї напруги в іншу, без зміни частоти.

Робота трансформатора заснована на використанні явища електромагнітної індукції.

Основні частини трансформатора - замкнене феромагнітне (сталеве) осердя й обмотки.

Сталеве осердя трансформатора зменшує магнітний опір для основного (робочого) магнітного потоку й збільшує магнітний зв'язок між обмотками, тому його називають магнітопроводом. Для зменшення вихрових струмів магнітопровід виготовляється з окремих ізольованих листів трансформаторної сталі.

Обмотки трансформатора виготовляються з ізольованого, мідного (рідше алюмінієвого) дроту. Обмотка, з'єднана з джерелом електричної енергії, називається первинною, а обмотка, до якої під’єднується навантаження - вторинною.

На рис.1.1 зображена схема однофазного двохобмотувального трансформатора.

Підведена до первинної обмотки від мережі змінна напруга U₁ створює в ній струм I₁, який збуджує в осерді змінний синусоїдальний потік Ф.

Змінний магнітний потік, який називають основним, або робочим, пронизує

витки обох котушок, індукуючи в них ЕРС, миттєві значення яких:

де - число витків відповідно первинної та вторинної обмотки.

Діючі значення ЕРС:

де f – частота змінної напруги, Гц; Ф_m – амплітудне значення робочого магнітного потоку, Вб.

Якщо до вторинної обмотки підключити навантаження, під дією ЕРС в ній буде текти струм, що здійснює передачу електричної енергії змінного струму з первинного ланцюга у вторинний.

Відношення ЕРС, яке дорівнює відношенню числа витків обмоток, називається коефіцієнтом трансформації:

Якщо k > 1, трансформатор називається понижуючим, якщо k < 1, - підвищуючим.

Для зручності розрахунку і порівняння параметрів, які характеризують процеси в трансформаторі, застосовують схеми заміщення. Найпоширеніша – спрощена Г- подібна схема заміщення показана на рис.1.2.

Елементи схеми заміщення відповідають певним процесам, що відбуваються в трансформаторі.

Так, величина Х₀ визначається величиною робочого потоку, величина R₀ - втратами на нагрів сталевого осердя, величина X_К - потоками розсіяння обмоток, а величина R_К - активними опорами обмоток. Основні параметри та характеристики трансформатора легко визначаються за допомогою дослідів холостого ходу й короткого замикання.

Дослідом холостого ходу називається такий режим роботи трансформатора, при якому на первинну обмотку подається номінальна напруга U_1H, а вторинна обмотка залишається розімкненою. При цьому вимірюється струм живлення трансформатора І₀, споживана їм потужність Р₀ і напруга на вторинній обмотці U₂₀.

З досліду холостого ходу визначаються:

коефіцієнт трансформації

;

параметри намагнічуючої (паралельної) гілки схеми заміщення

втрати потужності трансформатора в сталі, обумовлені гістерезисом і вихровими струмами в магнітопроводі:

∆P_CT= P₀.

Остання рівність приймається на тій підставі, що, по-перше, головний магнітний потік при всіх навантаженнях і холостому ходу залишається постійним, і, отже, втрати в сталі не залежать від навантаження, а по-друге, втрати в обмотках малі, оскільки струм холостого ходу малий (І₀ ≤ 0,1І_1Н).

Дослідом короткого замикання називається такий режим роботи трансформатора, при якому вторинна обмотка замикається накоротко, а на первинну подається така знижена напруга U_1К, при якій струми в обмотках дорівнюють номінальним значенням. При цьому вимірюються напруга короткого замикання U_1К (для силових трансформаторів звичайно U_1К ~ 0,05 U_1Н), струми короткого замикання І_1К=І_1Н та І_2К=І_2Н, а також споживана потужність Р_К.

З досліду короткого замикання визначаються:

коефіцієнт трансформації

;

параметри послідовної гілки схеми заміщення

;

втрати потужності трансформатора в обмотках (в міді) при роботі в номінальному режимі

∆P_M= P_К.

Остання рівність приймається на тій підставі, що під час досліду короткого замикання робочий магнітний потік, пропорційний величині напруги первинної обмотки, малий (близько 5%), отже, втрати в сталі також малі, і ними можна нехтувати, а потужність Рк, яку в досліді короткого замикання показує ватметр, включений у ланцюг первинної обмотки, дорівнює електричним втратам в обмотках трансформатора при номінальному режимі навантаження трансформатора, оскільки струми в обмотках дорівнюють номінальним.

Потужність втрат в обмотках (в міді) трансформатора залежить від струму навантаження, Вт:

∆P_M=I₁²R_k=β² I_1H²R_k=β²P_k,

- коефіцієнт завантаження трансформатора.

ККД трансформатора дорівнює відношенню потужності, що віддається у вторинний ланцюг, до потужності, споживаної з мережі, і може бути легко обчислений за даними дослідів холостого ходу і короткого замикання:

Потужність, що віддається трансформатором у навантаження:

де S_Н - номінальна потужність трансформатора; cosφ₂- коефіцієнт потужності навантаження.

Тоді ККД трансформатора буде мати вигляд:

Цією формулою можна користуватися і для визначення ККД трифазних трансформаторів.

Коефіцієнт потужності однофазного трансформатора:

Змінаструму навантаження трансформатора приводить до зміни вторинної напруги U₂ в порівнянні з напругою холостого ходу U₂₀.

Дійсна напруга вторинної напруги залежно від струму навантаження I₂ або коефіцієнта завантаження (зовнішня характеристика трансформатора):

Робочі характеристики трансформатора U₂=f(І₂); η=f(І₂); сosφ₁=f(І₂); при постійних U₁, сosφ₂ показані на рис.1.3.

Рис.1.3

Опис установки

Лабораторна установка (рис.1.4) складається з випробовуваного трансформатора Тр, навантаження R_H, амперметрів первинної А₁ і вторинної А₂ обмотки, ватметра W для вимірювання споживаної трансформатором активної потужності і вольтметрів V₁ та V₂ для вимірювання первинної і вторинної напруги відповідно. Амперметр А₁, вольтметр V₁ та ватметр W входять до складу вимірювального комплекту типу „К- 540”(або „К- 505”).

Установка живиться від автотрансформатора АТр з напругами U_1К= 220В і U_1К=15В. Перемикач П₂ служить для подачі номінальної напруги при холостому ході і роботі в режимі навантаження та зниженої напруги при короткому замиканні. Перемикач П₃ служить для розмикання вторинної обмотки (дослід холостого ходу), приєднання навантаження (режим навантаження) і замикання вторинної обмотки накоротко (режим короткого замикання).

Рис.1.4

Порядок виконання роботи

1.Ознайомитися з конструкцією трансформатора і записати його паспортні дані. Користуючись ними, обчислити номінальні струми I_1Н, I_2Н і коефіцієнт трансформації k.

2.Зібрати схему відповідно до рис.1.4, ознайомитися з вимірювальними приладами і записати їх паспортні дані.

3.Провести дослід холостого ходу. Для цього перемикачі П₃ і П₂ встановити в положення U_Н, а перемикачем П₁ подати напругу живлення. Показання приладів записати в графу “Холостий хід” табл.1.1.

Таблиця 1.1

Режим

Виміряно

Обчислено

І₂, А

І₁, А

U₂, B

U₁, B

P₁, Bт

P₂, Вт

DP_М, Вт

DP_СТ, Вт

сosj

Холостий хід

Коротке замикання

Навантаження

b = 0,25

b = 0,5

b = 0,75

b = 1,0

b = 1,25

Примітка. Напруги первинної U₁ і вторинної U₂ обмоток вимірюють вольтметрами V₁ та V₂, спостерігаючи за правильністю вибору шкали вимірювання.

4.Випробувати трансформатор при активному навантаженні сosφ₂=1. Для цього встановити движком максимальний опір потенціометра R_Н і перемикачем П₃ підключити його до вторинної обмотки трансформатора. Поступово зменшуючи опір потенціометра, збільшити струм навантаження, починаючи з b =0,25 до b =1,25, з урахуванням того, щоб одержати 5 точок, серед яких повинна бути точка I₂=I_2H (b =1). Показання приладів записати в графу “Навантаження” табл. 1.1.

5.Провести дослід короткого замикання. Для цього перемикачі П₂, П₃ встановити в положення “КЗ”, замкнувши тим самим вторинну обмотку накоротко. Показання приладів записати в графу “Коротке замикання” табл.1.1.

Обробка результатів досліду

1.Обчислити параметри, наведені в табл.1.1:

2.За даними випробувань у режимі активного навантаження побудувати зовнішню характеристику трансформатора U₂=f(I₂). Визначити зміну напруги на затисках вторинної обмотки при номінальному режимі порівняно з дослідом холостого ходу.

3.Побудувати залежності η=f(I₂), cosφ₁=f(I₂).

4.За даними дослідів холостого ходу і короткого замикання розрахувати параметри R₀, Х₀, R_К та X_К Г-подібної схеми заміщення.

Контрольні запитання

1. Поясніть принцип дії і будову трансформатора.

2. Чому магнітопровод трансформатора збирається з тонких листів електротехнічної сталі?

3. Як проводиться дослід холостого ходу і з якою метою?

4. Як проводиться дослід короткого замикання і з якою метою?

5. Як експериментально визначаються параметри Г-подібної схеми заміщення?

6. Як визначається коефіцієнт трансформації?

7. Як визначаються втрати потужності в трансформаторі?

8. Як розраховується ККД трансформатора за даними експерименту?

9. Як розраховується зміна вторинної напруги при різних навантаженнях трансформатора?