однофазный трансформатор

3 а

Рис. 7.1

Трансформатор содержит первичную 1 и вторичную 2 обмотки, размещенные на замкнутом ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе) 3. Сердечник предназначен для усиления магнитной связи между обмотками. Он набирается из отдельных изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,3-0,5 мм. Это необходимо для уменьшения потерь на разогрев магнитопровода вихревыми токами. Обмотки изготавливаются из меди - материала с малым удельным электрическим сопротивлением.

Если первичную обмотку с числом витков w₁ подключить к источнику переменного напряжения u₁, то в ней возникнет ток i₁, который создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф₁=Ф_msinwt. Этот поток, пронизывая первичную и вторичную обмотки, наводит в них электродвижущие силы (ЭДС) е₁ и е₂, определяемые законом электромагнитной индукции:

е₁=-w₁dФ₁/dt=-w₁wФ_mcoswt=-2pfФ_mw₁coswt,(7.1)

е₂=-w₂dФ₁/dt=-w₂wФ_mcoswt=-2pfФ_mw₂coswt,(7.2)

где e_m1=2pfw₁Ф_m и e_m2=2pfw₂Ф_m - амплитудные значения наводимых в обмотках трансформатора ЭДС.

Учитывая связь амплитудных и действующих значений ЭДС - e_m=Ö2e, последние выражения можно преобразовать к виду:

Рис. 7.3

При эксплуатации и испытаниях трансформатор может находиться в одном из трех режимов: рабочем (при подключении нагрузки), холостого хода и короткого замыкания.

Примечание. Следует различать режим аварийного короткого замыкания (крайне опасный для трансформатора) и опыт короткого замыкания, применяемый при испытаниях трансформатора для определения ряда его параметров.

В режиме холостого хода первичная обмотка трансформатора подключена на номинальное напряжение U_1ном, а вторичная разомкнута. В этом случае ток во вторичной обмотке отсутствует, а в первичной мал. При этом электрические потери в первичной обмотке составляют (0,5-3,0)% от номинальной мощности (I₁²r»0), а мощность, потребляемая трансформатором из сети при холостом ходе, затрачивается в основном на компенсацию потерь в стальном сердечнике Р_ст (потери в стали). Эту мощность можно определить ваттметром, подключенным в цепь первичной обмотки.

Кроме того, поскольку в этом режиме, как следует из (7.5) и (7.6), (U₁)_хх » ½ e₁ ½, а (U₂)_хх =e₂, то, контролируя эти напряжения, по (7.4) рассчитывают коэффициент трансформации.

Для выполнения опыта короткого замыкания выводы вторичной обмотки замыкаются накоротко, а на первичную подается пониженное напряжение U_1k такой величины, чтобы обеспечить протекание в обеих электрических цепях трансформатора номинальных токов. Так как при этом U₂ =0, а I₂=I_2ном, то из (7.6) следует, что e₂ мала: e_{2 k}=(0,02-0,05) e_2ном. Это возможно лишь в случае, если в сердечнике трансформатора уменьшается магнитный поток. Потери в стали прямо пропорциональны квадрату магнитного потока в сердечнике, поэтому в опыте короткого замыкания они незначительны. Потери в обмотках (потери в меди - Р_м) такие же, как в номинальном режиме эксплуатации трансформатора: по обеим обмоткам протекают номинальные токи. Таким образом, измеряя мощность, потребляемую трансформатором в опыте короткого замыкания, определяют мощность потерь в медных проводах обмоток.

По результатам опытов холостого хода и короткого замыкания рассчитывают коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора как функцию полезной мощности, отдаваемой в нагрузку:

h=Р₂/P₁=P₂/(P₂+P_cт+Р_м). (7.7)

КПД современных трансформаторов достигает 97-99%.

Графически типичная зависимость h=F(P₂) выглядит следующим образом (рис. 7.4):

h

 

 

0Р_2номР₂

 

Рис. 7.4

описание экспериментальной установки

Электрическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 7.5.

Исследования проводятся на понижающем трансформаторе номинальной мощности S =60 ВА. Для регулирования напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора, ее подключают к сети через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). Измерение напряжений и токов в первичной и вторичной обмотках осуществляется с помощью вольтметров и амперметров электромагнитной системы. Активная мощность, потребляемая трансформатором от сети, контролируется электродинамическим ваттметром. Нагрузкой трансформатора служит реостат, что позволяет изменять ток вторичной обмотки в диапазоне 0–5 А.

 

 

* K

* A₁ A₂

 

R

 

V₁ V₂

 

Рис. 7.5

 

 

порядок выполнения работы

1. Соберите электрическую цепь, схема которой представлена на рис. 7.5.

Осуществите опыт холостого хода, разомкнув ключ К.

2. Подключив цепь к сети, установите с помощью лабораторного автотрансформатора напряжение на первичной обмотке трансформатора, равное 220 В. Зафиксируйте показания всех приборов и занесите их в таблицу 7.1.

 

Таблица 7.1

Результаты измерений Результаты расчетов

U_1xx I_1xx U_2xx P_xx k₁₂ cos j₁

3. Установите сопротивление реостата максимальным. Замкните ключ К, переведя тем самым трансформатор в рабочий режим. Перемещая движок реостата, последовательно через 0,5 А увеличивайте ток I₂ во вторичной обмотке в диапазоне 1–5 А. Для каждого из установленных значений тока I₂, контролируемых амперметром А₂, зафиксируйте показания приборов и занесите их в таблицу 7.2.

 

Таблица 7.2

Результаты измерений Результаты расчетов

N ^о U₁ I₁ P₁ U₂ I₂ P₂ cos j₁ h

П/п

.

.

.

9

Примечание. По окончании данного опыта установите регулятор ЛАТРа в начальное (нулевое) положение.

4. Осуществите опыт короткого замыкания. Для этого движок реостата переведите в короткозамкнутое положение и, плавно поворачивая регулятор ЛАТРа, установите во вторичной обмотке трансформатора ток, равный 5 А. Снимите показания приборов и занесите их в таблицу 7.3.

 

 

Таблица 7.3

Результаты измерений

U_1K I_1K I_2K P_K

Примечание. После выполнения эксперимента установите движок реостата в среднее положение.

5. Включите последовательно с реостатом дроссель с подвижным сердечником. Полностью введите сердечник в дроссель и установите с помощью ЛАТРа напряжение на первичной обмотке, равное 220 В, а с помощью реостата – ток во вторичной обмотке трансформатора, равный 1 А. Затем, последовательно выдвигая сердечник из дросселя, снимите для 5-6 его различных положений зависимость U₂=F(I₂). Результаты занесите в таблицу 7.4.

 

Таблица 7.4

Результаты измерений

N ^o I₂ U₂

П/п

.

.

.

 

 

6. Рассчитайте значение k₁₂, используя соотношение (7.4), и величину коэффициента мощности первичной обмотки трансформатора по формуле cosj₁=P₁/U₁I₁. Результаты занесите в таблицу 7.1.

7. По данным таблицы 7.2, учитывая, что нагрузка чисто активная (cosj₂=1), рассчитайте активную мощность Р₂ в нагрузке (Р₂=U₂I₂cosj₂), величину cosj₁ и h трансформатора - формула (7.7), в которой Р_ст=Р_хх – опыт холостого хода, Р_м=Р_К – опыт короткого замыкания. Результаты расчетов занесите в таблицу 7.2.

8. По данным таблицы 7.2 постройте графики зависимостей U₂=F(I₂), I₁=F(I₂), cosj₁=F(P₂) и h=F(P₂).

9. По данным таблицы 7.4 постройте график зависимости U₂=F(I₂) для индуктивной нагрузки. Сравните его с графиком, полученным в п. 8 для активной нагрузки.

 

контрольные вопросы

1. Объясните устройство и принцип работы однофазного трансформатора.

2. Дайте определение коэффициента трансформации. От каких факторов он зависит?

3. Объясните факт роста тока в первичной обмотке трансформатора при увеличении тока в его вторичной обмотке.

4. Почему напряжение на вторичной обмотке трансформатора уменьшается с ростом тока нагрузки?

5. Как выполняются и для каких целей используются опыты холостого хода и короткого замыкания?