Цель работы
Изучить принцип действия и устройство трансформатора, исследовать работу трансформатора при различных режимах.
Теоретические сведения
Трансформатором называется статическое (т.е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное чаще всего для преобразования одного переменного напряжения в другое (или другие) напряжение той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, у которого общий магнитопровод и которые электрически изолированы друг от друга (за исключением автотрансформатора).
Обмотка трансформатора, присоединенная к источнику питания (сеть электроснабжения, генератор), называется первичной. Соответственно первичными именуются все величины, относящие к этой обмотке – число витков, напряжение, ток и др. Их буквенное обозначение снабжается индексом 1, например: w 1, u 1, i 1 (рисунок 3.1). Обмотка, к которой подключается приемник (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными (индекс 2).
Рисунок 3.1 Схема однофазного трансформатора
Если первичное напряжение U1 меньше вторичного U2, то трансформатор является повышающим, если U1 > U2 – понижающим.
Отношение напряжения первичной обмотки трансформатора к напряжению вторичной его обмотки, равное отношению соответствующих чисел витков обмоток является коэффициентом трансформации трансформатора
(3.1)
Активная мощность, потребляемая трансформатором. затрачивается на потери мощности в магнитопроводе (Р м) и электрические потери в обмотке (Р э)
Р 0 = Р м + Р э. (3.2)
Опыт холостого хода позволяет определить коэффициент трансформации и потери мощности в магнитопроводе (магнитные), поскольку активное сопротивление первичной обмотки так же как и ток холостого хода незначительно, электрические потери мощности в этой обмотке оказываются весьма небольшими и ими можно пренебречь, при этом:
Р 0 » Р м (3.3)
Опыт короткого замыкания – это испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки. При этом подводимое напряжение мало, поэтому мал и магнитный поток. Магнитными потерями можно пренебречь и считать показание ваттметра равным электрическим потерям в обмотках:
Р 0 » Р э. (3.4)
Опыт короткого замыкания позволяет определить важный параметр трансформатора – напряжение короткого замыкания, это выраженное в процентах напряжение на первичной обмотке:
(3.5)
Экспериментальная часть
На рисунке 3.2 приведены электрические схемы опыта.
Буквенно-цифровые обозначения элементов и приборов, используемых в схемах:
РА 1, РА 2 – амперметры, измеряющие ток в первичной и вторичной цепи трансформатора;
PV 1, PV 2 – вольтметры, измеряющие напряжение в первичной и вторичной цепи трансформатора;
РW 1 – ваттметр;
HL 1, HL 2 – нагрузка, в качестве которой используется ламповый реостат;
Т – автотрансформатор;
ТV – однофазный трансформатор;
QF 1 – автомат.
а
б
в
Рисунок 3.2 Электрическая схема установки для исследования
однофазного трансформатора
а) при холостом ходе;
б) при коротком замыкании;
в) под нагрузкой
Порядок проведения работы
3.4.1 Ознакомиться с приборами и оборудованием лабораторной установки и записать их паспортные данные в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 Данные приборов и оборудования
| Наименование | Количество | Тип | Предел измерения | Класс точности | Система |
3.4.2 Изучить устройство и принцип действия трансформатора.
3.4.3 Собрать электрические схемы для исследования работы трансформатора в режимах холостого хода, короткого замыкания и под нагрузкой. Дать проверить схему установки преподавателю.
3.4.3.1 При опыте холостого хода трансформатора к первичной обмотке подводится напряжение, равное его номинальному значению, посредством автотрансформатора. Вторичная обмотка при этом разомкнута, т.к. в ее цепи отсутствует нагрузка. В результате в цепи первичной обмотки трансформатора протекает ток холостого хода. Измерив вольтметром первичное и вторичное напряжения, показания приборов записывают в таблицу 3.2.
3.4.3.2 Опыт короткого замыкания проводят при короткозамкнутой вторичной обмотке, при этом к первичной обмотке автотрансформатором плавно подводят пониженное напряжение, чтобы во вторичной обмотке протекал номинальный ток I 1к = I 1ном. Показания приборов записывают в таблицу 3.2.
3.4.3.3 Опыт при нагруженном трансформаторе выполняется путем включения во вторичную обмотку трансформатора регулируемой нагрузки, в качестве которой используют ламповый реостат. Нагрузку необходимо включать от I2 = 0 до I2 > I 1ном. Результаты измерений заносят в таблицу 3.2.
Основные формулы для расчета:
коэффициент мощности cos j 1 = 
;
вторичная мощность Р 2 = U 2 I 2 cosj 2;
коэффициент полезного действия h = 
100.
3.4.4 По данным исследования трансформатора под нагрузкой построить:
- внешнюю характеристику трансформатора U 2 = f (I 2);
- зависимость сosj и h от мощности нагрузки P2.
Таблица 3.2 Результаты экспериментов
| Режимы исследования | Измерено | Вычислено | ||||||
| Режим холостого хода | U10, B | U20, B | I10, A | P0, Bт | Cosj0 | n | ||
| Режим короткого замыкания | UК, B | IК, A | PК, Bт | UК, % | ||||
| Нагрузочный режим | U1, B | I1, A | P1, Bт | U2, B | I2, A | Cosj1 | P2, Bт | h, % |
3.4.5 На основании внешней характеристики трансформатора определить процентное изменение вторичного напряжения DU % при I2 = I2н.
DU % = 
×100%,
где U20 – напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе;
U2 - напряжение на зажимах вторичной обмотки.
3.4.6 По данным экспериментов холостого хода и короткого замыкания рассчитать коэффициент полезного действия трансформатора косвенным методом и построить (в масштабе) зависимость h = f (Р2). Для этого рассчитать коэффициент полезного действия для значений b = 0,25; 0,50; 0,75; 1,0 по формуле:
h = 
, (3.6)
где b - коэффициент загрузки трансформатора;
Sн – номинальная мощность трансформатора.
3.4.7 Выполнить анализ полученных результатов и сделать вывод.
3.5 Контрольные вопросы
3.5.1 С какой целью проводят эксперименты холостого хода и короткого замыкания?
3.5.2 Как можно измерить коэффициент трансформации трансформатора?
3.5.3 Что называют внешней характеристикой трансформатора и как её получить?
3.5.4 Какие потери энергии имеют место в трансформаторе и от чего они зависят?
3.5.5 Изменится ли ток в первичной обмотке трансформатора, если будем изменять ток во вторичной обмотке и почему?