Испытание однофазного трансформатора

Лабораторная работа № 7

1. Цель работы

Изучить устройство однофазного трансформатора и зависимость вторичного его напряжения и КПД от нагрузки.

Задание.

1. Изучить устройство и принцип действия трансформатора.

2. Проделать опыт холостого хода трансформатора.

3. Проделать опыт короткого замыкания трансформатора.

4. Получить внешнюю характеристику трансформатора и зависимости его КПД от загрузки.

5. Составить письменный отчет по лабораторной работе.

2. Основные положения.

Трансформатор - это электромагнитный статический аппарат, пред­назначенный для преобразования электрической энергии одного напря­жения в энергию другого напряжения при неизменной частоте.

В зависимости от своих параметров трансформатор позволяет по­лучать напряжение выше подведенного к нему (повышающий трансфор­матор) или ниже подведенного (понижающий трансформатор).

Эксплуатационные параметры трансформатора задаются в его паспорте. Параметры задаются для номинального режима, т.е. того режима, на который рассчитан трансформатор заводом изготовителем. Параметры можно разделить на основные и производные.

К основным параметрам можно отнести: коэффициент трансформации, номинальную полную мощность, которую может передать трансформатор нагрузке; номинальные напряжения первичной и вторичной обмоток; номинальные токи первичной и вторичной обмоток, КПД, cos φ.

К производным: ток холостого тока; напряжение короткого замыкания в процентах номинального напряжения; потери холостого хода при номинальном первичном напряжении.

Под действием первичного переменного напряжения U₁ по пер­вичной обмотке трансформатора протекает переменный ток I₁, кото­рый создает в трансформаторе магнитный поток Ф. В соответствии с законом электромагнитной индукции переменный магнитный поток наводит в первичной и во вторичной обмотках трансформатора ЭДС, действующие значения которых равны:

                                                              (1)

                             (1)

где W₁ и W₂ - число витков, соответственно, в первичной и вто­ричной обмотках;

             f - частота изменения тока в первичной обмот­ке;

         Ф_М - амплитуда магнитного потока, пронизывающего обмотки.

Отношение  называется коэффициентом трансформации. Величину коэффициента трансформация можно достаточно точно определить из опыта холостого хода.

 

Подведенное к трансформатору напряжение U₁ уравновешивается электродвижущей силой E₁ и падениями напряжения  и в первичной обмотке. На основании второго закона Кирхгофа это равно­весие описывается уравнением

                                                   (3)

где  - ток в первичной обмотке трансформатора;

- индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки; R₁ - активное сопротивление первичной обмотки.

При подключении нагрузки ко вторичной обмотке по ней начинает протекать ток , создающий падения напряжения  и , на вторичной обмотке создается напряжение U₂.

На основание второго закона Кирхгофа для вторичной обмотки можно записать уравнение:

                                                   (4)

где  - ток во вторичной обмерке;

- индуктивное сопротивление вторичной обмотки;

 R₂ - активное сопротивление вторичной обмотки.

Зависимость вторичного напряжения U₂ от силы тока во вторичной обмотке I₂ при U₁ = U_1ном. называется внешней характеристикой трансформатора. С увеличением тока I₂ увеличивается падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора Z₂I₂, а напряжение U₂ уменьшается, однако уменьшается незначительно (на 2-3 % от U_ном. при изменении тока I₂ от нуля до номинального значения). Процентное изменение напряжения можно определить непосредственно по внешней характеристике трансформатора, а так же по результатам опыта короткого замыкания: ΔU% = U_a cos φ₂ + U_p sin φ₂

U_а = r_k I_1н / U_1н х 100, U_р = X_k I_1н U_1н х 100, а

φ₂ – угол сдвига между напряжением и током нагрузки трансформатора.

При нагрузках отличных от номинальной, определяется по формуле:

ΔU% = β (U_а cos φ₂ + U_р sin φ₂),

Где β = I₂ / I_2н Коэффициент загрузки трансформатора.

В целом величина напряжения  зависит от значения коэффици­ента трансформации К, тока  его характера, а также от величин сопротивлений первичной и вторичной обмоток, которые образуют полное сопротивление трансформатора

            (5)

Величину сопротивления Z_K можно определить из опыта корот­кого замыкания. Номинальная мощность S_Н трансформатора опреде­ляется с помощью формулы:

                 (6)

В процессе преобразования энергии в трансформаторе часть ее теряется внутри самого трансформатора. Отношение полезной активной мощности отданной нагрузке к мощности, подведенной к первичной обмотке трансформатора называется коэффициентом полезного действия. Коэффициент полезного действия можно определить по формулам

                                                                         (7)

                                                             (8)

Величина номинального коэффициента полезного действия являет­ся важной технико-экономической характеристикой.

 

3. Электрические схемы лабораторной установки

Схемы для определения свойств трансформатора приведены на рис. 2, 3, 4. Испытуемый трансформатор ТР получает питание от автотрансформатора AT, присоединенного к сети 220 В частотой 50 Гц. Нормальные данные трансформатора указаны в его паспорте.

Измерительные приборы должны быть выбраны со следующими пределами измерений.

	PV1	РV2	РА1	РА2	PW
Опыт холостого хода	0…250 В	0…75 В	0…1 А	-	2,5 А, 300 В
Опыт короткого замыкания	0…75 В	-	0…2 А	0…7 А	2,5 А, 30 В
Снятие внешней характеристики	0…250 В	0…75 В	0…2 А	0…2 А	2,5 А, 300 В

 

0

А

 

Рис.2. Электрическая схема опыта холостого хода трансформатора.

 

 

А

0

 

Рис.3. Электрическая схема опыта короткого замыкания трансформатора.

 

 

Рис.4. Электрическая схема снятия внешней характеристики трансформатора.

 

 

В качестве нагрузки R_НГ в схеме, представленной на рис. 4, при­нимается реостат сопротивления, рассчитанный на номинальный ток 5 А. Коэффициент мощности нагрузки в этом случае будет равен единице.

 

4. Порядок выполнения лабораторной работы

 

4.1. Описание экспериментальной установки

В установку (рис. 4) входят:

регулируемый источник питания AT,

испытуемый трансформатор ТР,

нагрузочный реостат сопротивления (30 Ом, 5 А).

вольтметр (0...250 В, 0.,.60 (75 В)),

амперметры (0…1 А и 0…2 А, 0…7 А),

ваттметр (2,5 А, 300 В).

 

4.2. Подготовка к проведению опытов;

Для выполнения лабораторной работы надо изучить устройство испытуемого трансформатора, его паспортные данные, а также уст­ройство лабораторного стенда. Паспортные данные трансформатора и измерительных приборов следует занести в отчет.

 

4.3. Опыт холостого хода. Под опытом холостого хода понимается такой режим работы трансформатора, при котором к его первичной обмотке подведено номинальное напряжение, а ток во коричной обмотке равен нулю, т. е. нагрузка отсутствует. В этом режиме активная мощность, потребляемая трансформатором из сети, представляет особой мощность потерь в магнитопроводе.

Порядок выполнения опыта следующий. Собрать схему опыта холостого хода, показанную на рис. 2. Повернуть рукоять автотрансформатора AT против часовой стрелки до отказа. Подать напряжение се­ти к автотрансформатору. С помощью автотрансформатора подвести к обмотке высшего напряжения трансформатора TР напряжение U_10, рав­ное номинальному. Произвести измерения тока I₀ в первичной обмот­ке, мощности Р₀, подводимой к трансформатору, и напряжения U₂, на зажимах вторичной обмотки. Показания приборов записать в табл. I.

 

Таблица 1

Измерено					Вычислено
№	U10	U20	I0	P0	K	cos φ

 

 

4.4. Опыт короткого замыкания.

Под опытом короткого замыкания понимается такой режим работы трансформатора, когда выводы его вторичной обмотки замкнуты накоротко, а к первичной обмотке подведено напряжение, при котором токи в обмотках будут протекать номиналь­ные. Активная мощность, потребляемая из сети трансформатором, в этом случае почти полностью расходуется на потери в обмотках.

Опыт выполняется следующим образом. Собрать схему опыта ко­роткого замыкания, приведенную на рис. 3. Вычислить величину но­минального тока в первичной обмотке трансформатора по формуле (6). Повернуть рукоять автотрансформатора против часовой стрелки до от­каза. Подать напряжение сети к автотрансформатору. Автотрансформато­ром подать к первичной обмотке такое напряжение U₁ чтобы в ней установился ток I₁=I_1Н, и измерить при этом условии напряжение U_К=U_I и мощность Р_К подводимую к трансформатору. Показания при­боров записать в табл. 2.

 

Таблица 2

Измерено				Вычислено
№	I1=I1H	UI=UK	PK	UK	ZK	RK	cos φ	XK

 

 

4.5. Внешняя характеристика трансформатора;

Под внешней характеристикой понимается зависимость величины вторичного напряжения U₂ от тока I₂ при условии, что U₁, f, cos φ₂ - const. В режиме внешней характеристики в транс­форматоре мощность потерь представляет сумму всех потерь (холосто­го хода, короткого замыкания и дополнительных потерь).

Характеристику получают следующим образом. Собирают схему, по­казанную на рис. 4, размыкают цепь реостата R_НГ, подают напряжение от сети к автотрансформатору. Автотрансформатором устанавливают на зажимах высшего напряжения U₁=U_1H и поддерживают неизменным при снятии всей характеристики. Затем измеряют ток I₁ в первичной обмотке, мощность P₁ и записывают данные в табл. 3. Замыкают цепь реостата R_НГ, и устанавливают ток I₂, равный, последовательно, 2, 3, 4,5, 6 и 7 А, измеряют величины I₁, U₂, P₁ и записывают результаты в таблицу3. Величину cos φ₂ принимают, исходя из характера сопротивления нагрузки R_H.

 

 

Таблица 3

Измерено							Вычислено
№	I2	I1	U1	U2	P1	P2	η	cos φ1	ΔU2, В	ΔU2, %

 

5.Техника безопасности.

5.1. При выполнении лабораторной работы необходимо выполнять общие правила техники безопасности принятые в лаборатории электротехники.

5.2. Сборку электрической схемы или внесение изменений в нее можно выполнять только при отключенном напряжении питания на лабораторном стенде.

5.3. После сборки (внесения изменений) электрическая схема должна быть проверена преподавателем (лаборантом), ведущим занятие, и только после проверки схему можно включать под напряжение.

5.4. При появлении признаков, свидетельствующих о ненормальной работе электрической схемы (отсутствие показаний или заведомо ложные показания приборов, запах плавящейся или горячей изоляции и т.д.), необходимо немедленно отключить напряжение питания и сообщить о возникшей неисправности преподавателю (лаборанту), ведущему занятие.

5.5. Особенно четко необходимо соблюдать последовательность проведения операций в опыте короткого замыкания.

5.6. Перед отключением автотрансформатора от сети необходимо плавно уменьшить ток нагрузки I₂ до минимального значения.

5.7. Во время выполнения экспериментальной части лабораторной работы запрещается членам одной бригады подходить к другим бригадам.

5.8. После выполнения всех экспериментов необходимо отключить напряжение питания лабораторного стенда.

 

 

6. Обработка полученных данных

6.1. Расчеты по данным опыта холостого хода

Коэффициент трансформации

Коэффициент мощности

6.2. Расчеты по данным опыта короткого замыкания

Относительная величина напряжения короткого замыкания

Полное сопротивление трансформатора

Активная составляющая полного сопротивления трансформатора

 (Ом)

Коэффициент мощности

Реактивная составляющая полного сопротивления трансформатора

(Ом)

6.3. Расчета по данным внешней характеристики и построение графиков.

 

Полезная мощность

(Вт)

Коэффициент полезного действия

Коэффициент мощности

Изменение напряжения

 (В)

где U₂₀ – величина вторичного напряжения при I₂=0.

Относительная величина изменения вторичного напряжения

Расчетная величина изменения напряжения при нормальной загрузке

До данным табл. 3 строится график внешней характеристики U₂ = f (I)₂ при условии, что U₁, f, cos φ₂ - const. Рекомендуе­мые масштабы: M_U = 4 В/см;
M_I = 1 А/см.

В тех же осях строятся по данным табл. 3 графики  и

 

7. Содержание письменного отчета по работе

Письменный отчет по лабораторной работе должен содержать:

название работы;

цель работы;

электрическую схему работы, выполняемую в соответствии с требованиями ЕСКД;

паспортные данные приборов и расчетов;

расчетные формулы и примеры расчетов;

таблицы с экспериментальными и расчетными данными;

график внешней характеристики;

выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение, устройство и принцип действия однофазного трансформатора?

2. Перечислить основные узлы трансформатора и объяснить их назначение.

3. Особенности устройства магнитопровода трансформатора и из чего он выполнен?

4. Что следует понимать под номинальной мощностью трансфор­матора?

5. Что такое номинальный ток трансформатора и как его можно определить?

6. Какие факторы и как влияют на величину вторичного напряжения

трансформатора?

7. Как определить и что такое коэффициент трансформации и от чего зависит его величина?

8. На что расходуется активная мощность Р₀ при холостом ходе трансформатора?

9. На что расходуется активная мощность Р_К при коротком замыкании трансформатора?

10. Объяснить какие величины определяются в опыте холостого хода трансформатора?

11. Как определяется напряжение короткого замыкания транс­форматора и что понимается под напряжением короткого замыкания трансформатора? Назовите его значение.

12. От каких факторов и как зависит коэффициент полезного действия трансформатора?

13. Вычислить величину вторичного напряжения испытанного транс­форматора при холостом ходе, если к первичной обмотке подвести напряжение U₁=…

14. Вычислять по данным опытов величину потерь мощности испытанного транс­форматора при заданной величине вторичного тока. Какие потери мощности в трансформаторе имеют место?

15. Что понимается под изменением напряжения трансформатора и от чего оно зависит? Показать на графике внешней характеристики изменение напряжения трансформатора.

Литература:

 

1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. - М.: Высшая школа, I985.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983.