Лабораторная работа № 12.

«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 Ф_S1 и Ф_S2 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. Z̕_H=Z_H*n²; R2̕ =R2*n²; ϳX̕_S2=ϳX_S2n²; I2̕= I2/n; U2̕ =U2*n. R1,R2-сопротивление провода первичной и вторичной обмоток трансформатора; R2̕ - приведенное к первичной обмотке сопротивление провода вторичной обмотки; X_S1,X_S2 –сопротивление индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток; X̕_S2- приведенное к первичной обмотке сопротивление индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора.

I1 ϳX_S1 R1 ϳX̕_S2 -I2̕ R2̕

I₀

U1 U₀ I_P I_a U2̕ Z̕_H

-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 Z_H=∞, 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+ ϳX_S1 │.y₀=g₀+ϳb₀; y₀=I1₀/U1₀; g₀=y₀cosϕ₀; b₀=y₀sinϕ₀; δ=arctg g₀/b₀ угол потерь в стали.

I1_xx ϳX_S1 R1 I₀

I_P I_a

U1_xx -ϳb_xx g_xx U2̕_xx

 

 

Эквивалентная схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания Z_H=0; U2=0; I2=I2_КЗ представлена на рис.4. При проведении опыта КЗ входное напряжение U_Г выбирается таким, чтобы ток короткого

I1_кз ϳX_S1 R1 R2̕ ϳX̕_S2

U1_кз

 

Рис.4. Эквивалентная схема трансформатора в режиме КЗ.

замыкания I1_КЗ был равен номинальному, при этом U1_КЗ~ 0,1U_Г. Ток намагничивания I₀ в этом режиме приблизительно равен нулю, это позволяет исключить ветвь намагничивания на схеме замещения. В опыте КЗ измеряются U1_КЗ, I1_КЗ, ϕ_КЗ. В реальных трансформаторах сопротивления первичной обмотки и приведенные сопротивления вторичной обмотки примерно равны. R1≈R2̕ и X_S1= X̕_S2; R_Э≈2R1≈2R2̕ и X_Э≈2X_S1≈2X̕_S2.

Формулы для расчета: Z_Э=U1_КЗ/I1_КЗ=R_Э+ϳX_Э; R_Э=Z_Э cosϕ; X_Э=Z_Э 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

R_ИЗМ R_H

 

Учесть, что в качестве измерительных приборов должны быть использованы вольтметр и осциллограф. Предусмотреть в цепи первичной обмотки включение измерительного сопротивления R_ИЗМ 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 U_ИЗМ<<U1(в10-30 раз). Для того чтобы амплитуда входного сигнала была высотой 2 клеточки на экране цена деления переключателя «усиление» U вольт/деление = U_Г*√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 U_ИЗМ 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

Осциллограф 1 2 1 2 2

R_Г U1 U2 R_Н

w1 w2

R_ИЗМ U_ИЗМ

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 U_Г. В этом опыте U1=U_Г. Измерить U2 и U_ИЗМ (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, U_ИЗМ и ϕ, результаты занести в таблицу 1.За знаком ϕ(отстает или опережает) можно не следить, известно в цепях с преобладанием индуктивности ток I1=U_ИЗМ/R_ИЗМ 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 R_Н. Измерить U1, U2, U_ИЗМ, ϕ и подсчитать I2=U2/R_Н.

 

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 I_a

I_p

I2̕

ϳx̕_S2I2̕ U2̕

-U₀ R2*I2̕