«Исследование однофазного трансформатора».
Цель работы. Ознакомление с устройством трансформатора. Получение навыков экспериментального определения параметров эквивалентной схемы замещения трансформатора с ферромагнитным сердечником.
Общие сведения.
Трансформатором называется устройство, позволяющее передавать энергию из одной цепи в другую посредством электромагнитной индукции. Схема двухобмоточного трансформатора с ферромагнитным сердечником приведена на рис.1. Обмотки трансформатора включены встречно.
Ф
I2 Z Н
U1 w1 Ф S1 Ф S2 w2 U2
I1
Рис.1. Схема однофазного трансформатора.
Ток первичной обмотки I1 создает в сердечнике основной магнитный поток Ф, который сцепляется с обеими обмотками и замыкается по сердечнику. Магнитные потоки рассеяния ФS1 и ФS2 большую часть пути проходят по воздуху и сцепляются с витками собственных обмоток. Наличие сердечника делает трансформатор нелинейным элементом. Это проявляется в том, токи и напряжения могут отличаться по форме (наблюдаются нелинейные искажения). Номинальный режим работы силового трансформатора обеспечивает небольшие нелинейные искажения при высоких значениях КПД.
При расчетах потерь и передачи энергии в трансформаторе его заменяют приведенной эквивалентной схемой, которая представлена на рис.2. В схеме все параметры и электрические величины вторичного контура приведены к числу витков первичной обмотки. Отношение n=w1/w2 называют коэффициентом трансформации. Z̕H=ZH*n2; R2̕ =R2*n2; ϳX̕S2=ϳXS2n2; I2̕= I2/n; U2̕ =U2*n. R1,R2-сопротивление провода первичной и вторичной обмоток трансформатора; R2̕ - приведенное к первичной обмотке сопротивление провода вторичной обмотки; XS1,XS2 –сопротивление индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток; X̕S2- приведенное к первичной обмотке сопротивление индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора.
I1 ϳXS1 R1 ϳX̕S2 -I2̕ R2̕
I0
U1 U0 IP Ia U2̕ Z̕H
-ϳb0 g0
Рис. 2. Схема замещения трансформатора.
Параметры элементов приведенной эквивалентной схемы конкретного трансформатора можно определить экспериментально с помощью двух опытов: режима холостого хода (ХХ) и режима короткого замыкания(КЗ).
Эквивалентная схема замещения трансформатора в режиме ХХ ZH=∞, I2=0 представлена на рис.3. По опыту ХХ определяются n=U10/U20=w1/w2 и параметры ветви намагничивания g0 и b0. Считаем, что модуль │g0+ϳb0│ сопротивления цепи намагничивания гораздо больше модуля │R1+ ϳXS1 │.y0=g0+ϳb0; y0=I10/U10; g0=y0cosϕ0; b0=y0sinϕ0; δ=arctg g0/b0 угол потерь в стали.
I1xx ϳXS1 R1 I0
IP Ia
U1xx -ϳbxx gxx U2̕xx
Эквивалентная схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания ZH=0; U2=0; I2=I2КЗ представлена на рис.4. При проведении опыта КЗ входное напряжение UГ выбирается таким, чтобы ток короткого
I1кз ϳXS1 R1 R2̕ ϳX̕S2
U1кз
Рис.4. Эквивалентная схема трансформатора в режиме КЗ.
замыкания I1КЗ был равен номинальному, при этом U1КЗ~ 0,1UГ. Ток намагничивания I0 в этом режиме приблизительно равен нулю, это позволяет исключить ветвь намагничивания на схеме замещения. В опыте КЗ измеряются U1КЗ, I1КЗ, ϕКЗ. В реальных трансформаторах сопротивления первичной обмотки и приведенные сопротивления вторичной обмотки примерно равны. R1≈R2̕ и XS1= X̕S2; RЭ≈2R1≈2R2̕ и XЭ≈2XS1≈2X̕S2.
Формулы для расчета: ZЭ=U1КЗ/I1КЗ=RЭ+ϳXЭ; RЭ=ZЭ cosϕ; XЭ=ZЭ sinϕ.
Подготовка к лабораторной работе.
Проработать раздел курса «Цепи переменного тока с ферромагнитными сердечниками».
Составить принципиальную электрическую схему для исследования трансформатора и соответствующую монтажную (размещение элементов и приборов) схему с использованием наборного поля лабораторного макета.
Тр1
U1 w1 w2
U ИЗМ U2
RИЗМ RH
Учесть, что в качестве измерительных приборов должны быть использованы вольтметр и осциллограф. Предусмотреть в цепи первичной обмотки включение измерительного сопротивления RИЗМ для определения тока I1 и фазы ϕ1. Составить таблицы для результатов измерений и расчетов.
По заданным в варианте данным подсчитать необходимое положение переключателей осциллографа «усиление» по каналам и «развертка». Необходимо отметить, что UИЗМ<<U1(в10-30 раз). Для того чтобы амплитуда входного сигнала была высотой 2 клеточки на экране цена деления переключателя «усиление» U вольт/деление = UГ*√2/2. При измерении фазы необходимо пол периода сигнала занимало 9 клеток по горизонтали, тогда цена деления переключателя «развертка» будет t время/деление =1/2f*9.
Таблица № 1.
Вариант | ||||||
UГ В | 1,5 | 1,5 | ||||
fГ Гц | ||||||
RН Ом | ||||||
RИЗМ Ом |
Порядок проведения лабораторной работы.
Собрать схему эксперимента представленную на рис.5. Для измерения U1, U2 и UИЗМ можно использовать один вольтметр В3-38 перенося его сигнальный вход в точки измерения соответствующих величин. Осциллограф С1-93 можно заменить фазометром Ф2-34. Сигнал подается от генератора синусоидальных колебаний Г3-112. Включить питание приборов.
I1 Тр1 ХХ КЗ НР
|
w1 w2
RИЗМ UИЗМ
Рис.5. Принципиальная электрическая схема эксперимента.
Для определения эквивалентных параметров трансформатора в заносятся в таблицу №1. Таблица № 1.
Опыт | U1 | I1=UИЗМ/RИЗМ | ϕ | U2 | I2=U2/RH |
Холостой ход | |||||
Короткое замыкание | Х | Х | |||
Нагрузочный режим |
1. Опыт холостого хода.
На генераторе установить заданную частоту и выходное напряжение UГ. В этом опыте U1=UГ. Измерить U2 и UИЗМ (оно значительно меньше предыдущих напряжений) подключив сигнальный провод вольтметра к соответствующим точкам схемы. Для измерения ϕ необходимо подготовить осциллограф. Оба луча поставить ручками ↕ вверх-вниз каналов на центр экрана, ручкой↔ право-лево установить начало развертки(начало лучей) на левое деление экрана, переключатель воспроизведение лучей в положение →→ один луч за другим (пяти кнопочный переключатель находится слева от экрана, вторая кнопка снизу). Синхронизация по 2 каналу. Ручками «усиление» каналов добиться амплитуды сигналов 2-3 клетки. Переключателем «развертка» установить пол периода сигнала ровно 9 клеток по горизонтали. Цена клетки 180°/9=20°. Измерить количество клеток между одинаковыми нулями(на нарастание или на спад) сигналов в каналах, с точностью 0,1 клетка. Определить ϕ=количество клеток х 20° и занести в таблицу.
2. Опыт короткого замыкания
Закоротить выводы вторичной обмотки трансформатора. Измерить U1, UИЗМ и ϕ, результаты занести в таблицу 1.За знаком ϕ(отстает или опережает) можно не следить, известно в цепях с преобладанием индуктивности ток I1=UИЗМ/RИЗМ отстает от напряжения U1. Но для опыта экспериментатора можно проверить знак ϕ, не всегда известен характер цепи.
3. Опыт нагрузочный режим.
К выводам вторичной обмотки трансформатора подключить сопротивление нагрузки RН. Измерить U1, U2, UИЗМ, ϕ и подсчитать I2=U2/RН.
4. Расчет эквивалентных параметров трансформатора
По формулам приведенным в разделе «Общие сведения» рассчитать параметры приведенные в таблице №3
Параметр | n | y0 | g0 | b0 | XS1≈ X̕S2 | R1≈R2̕ | Z̕H | δ |
Величина |
5. Построение векторной диаграммы.
Рассчитать все токи и напряжения в схеме рис.1., для построения векторной диаграммы трансформатора в нагрузочном режиме.
U1 | U0 | U2̕ | I1 | I0 | I2̕ | IP | Ia | ||
Величина |
U
U1
U0
I1 -I2̕
ϕ
I0 Ia
Ip
I2̕
ϳx̕S2I2̕ U2̕
-U0 R2*I2̕