Однофазный трансформатор. Принципы работы. Основные параметры

Однофазный трансформатор. Принципы работы. Основные параметры

Трансформатор — это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Наибольшее распространение получили однофазные и трехфазные трансформаторы.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Простейший однофазный трансформатор состоит из двух катушек, расположенных на ферромагнитном сердечнике. (рис. 3.3.1)

Обмотка, к которой подключен источник энергии, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка, называется вторичной.

При подключении первичной катушки к источнику переменного тока по ней потечет ток I₁, который создает магнитный поток ф. Часть этого потока пересекает витки вторичной катушки, индуцируя в ней ЭДС взаимной индукции. Так как вторичная катушка замкнута на нагрузку, то по вторичной цепи потечет ток I₂.

Таким образом, энергия от источника за счет магнитной связи между катушками передается в нагрузку.

Основными параметрами трансформатора являются: коэффициент трансформации, коэффициент полезного действия и мощность потерь.

Коэффициентом трансформации называется отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки.

Если , то трансформатор называется понижающим (U₁ U₂), а если n 1 — то повышающим.

U₂ — напряжение на первичной обмотке;

U₂ — напряжение на вторичной обмотке;

W₁ – число витков первичной катушки;

W₂ — число витков вторичной катушки

Коэффициент полезного действия (КПД) называется отношение полезной мощности, выделяемой в нагрузке, к затраченной мощности, потребляемой от источника, выраженное в процентах.

Р₁ – полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

Р₂ – затраченная мощность, потребляемая от источника;

Р_м1 – мощность тепловых потерь в первичной катушке;

Р_м2 — мощность потерь во вторичной катушке;

Рсм – мощность потерь в сердечнике, обусловленная потерями на гистерезис и вихревые токи.

Общие потери – это разность мощностей источника и потребителя энергии.

в понижающем трансформаторе

в повышающем трансформаторе

При расчете трансформаторов и аппаратуры с их использованием применяют схему замещения приведенного «трансформатора», в которой элементы электрической схемы учитывают физические процессы, происходящие в реальном трансформаторе.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется трансформатором?

2. На чем основан принцип действия трансформатора?

3. Приведите схему однофазного трансформатора?

4. Что называется коэффициентом трансформации?

5. Какой трансформатор называется понижающим, а какой – повышающим?

6. Как определяется КПД трансформатора?

7. Из чего складываются потери трансформатора?

Тема №2: Электрические машины [Яцкевич]

Устройство и принцип действия машин постоянного тока.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: подвижной и неподвижной. Неподвижная часть — индуктор представляет собой электромагнит, имеющий одну или несколько пар полюсов. Он состоит из станины, полюсов и обмоток возбуждения, расположенных на полюсах. Под действием постоянного тока, протекающего по обмоткам возбуждения, полюса намагничиваются. Таким образом, создается магнитный поток машины.

Вращающаяся часть машины — якорь состоит из вала, сердечника и обмотки якоря, соединенной с коллектором. Якорная обмотка через коллекторные пластины и прилегающие к ним контактные щетки соединяется с внешней электрической цепью.

Когда якорь генератора вращается каким-либо двигателем, в обмотке якоря, пересекающей магнитный поток полюсов, индуктируется э.д.с. Начальный ток возбуждения в параллельной обмотке возникает под действием небольшой э.д.с., которая индуктируется за счет остаточного магнитного потока, после чего происходит «самовоз­буждение» генератора.

Дата добавления: 2016-11-29 ; просмотров: 29212 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Испытание однофазного трансформатора. Испытание однофазного трансформатора

Испытание однофазного трансформатора: Методические указания к лабораторной работе. /Составитель Анчугова А.Ф., Гумеров А.З., Нуриев И.М. – Набережные Челны: Изд-во ИНЭКА. 2009. – 24 с.

Рецензент : доцент каф. АиИТ, к.т.н. Заморский В.В.

Печатается в соответствии с решением научно-методического со­вета Камской государственной инженерно-экономической академии

академия, 2009 г.

Лабораторная работа.

Испытание однофазного трансформатора.

Цель работы.Целью работы является изучение устройства и принципа действия однофазного трансформатора, изучение мето­дов испытания трансформатора – опыты холостого хода, короткого замыкания, непосредственной нагрузки.

Основные теоретические положения.

Трансформатором называется статический электромагнит­ный аппарат, предназначенный для преобразования одних величин напряжения и тока в другие величины при неизменной частоте.

Принцип действия трансформатора вытекает непосредственно из закона электромагнитной индукции. Предположим, что на сердечнике однофазного трансформатора, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1, расположены обе обмотки с числом витков w₁ и w₂ соответственно.

Рисунок 1 – Принципиальная схема однофазного трансформатора

Та из обмоток трансформатора, к которой подводится элек­троэнергия переменного тока, называется первичной обмоткой, другая, от которой энергия отводится, называется вторичной.

В соответствии с названиями обмоток все величины, относя­щиеся к первичной обмотке, как, например, мощность, ток, сопротивление и т.д. тоже называются первичными и их обозначе­ния снабжаются индексом 1. Все величины, относящиеся ко вто­ричной обмотке, называются вторичными и снабжаются индексом 2, если к обмотке w₁ подведено переменное синусоидальное на­пряжение u₁, то по этой обмотке течет переменный ток i₁, в резуль­тате действия которого возникает переменный магнитный поток Φ₁. основная часть этого потока Φ замыкается по сердечнику.

Мгновенное значение потока:

Периодически изменяясь во времени, магнитный поток наводит ЭДС самоиндукции в обмотке w₁ и ЭДС взаимной индукции в об­мотке w₂ в соответствии с уравнениями:

ЭДС отстают от магнитного потока на угол 90°. Дейст­вующие значения ЭДС, наводимых в обмотках, соответственно равны:

где Φ_m –амплитудное значение магнитного потока, Вб.

Из приведенных уравнений следует

где k – коэффициент трансформации трансформатора.

Если обмотка w₂ замкнута на какой-либо приемник электро­энергии Z_2H , то по цепи, образованной обмоткой w₂ и приемником, течет ток i₂ и, следовательно, происходит трансформация электроэнергии, подводимой к первичной обмотке, в электроэнер­гию, используемую в приемнике. Ток i₂ создает свой поток Φ₂, ко­торой, согласно правилу Ленца, направлен встрече потока, создан­ному током i₁.

Таким образом, при нагрузке трансформатора магнитный поток в сердечнике Φ определяется совместным действием намаг­ничивающих сил первичной и вторичной обмоток то есть

Экспериментальное изучение работы трансформатора пока­зало, что при номинальной нагрузке величина результирующего потока Φ отличается от потока холостого хода лишь на несколько процентов. Следовательно, с достаточной степенью точности можно считать рабочий поток Φ постоянным. При указанном до­пущении должно выполнятся равенство:

где I_1x – ток холостого хода.

Последнее соотношение носит название уравнения магнит­ного состояния. Оно указывает на очень важную особенность ра­боты трансформатора: при изменении тока нагрузки I₂ от нуля до номинального значения происходит такое изменение тока в пер­вичной обмотке, при котором поток в сердечнике остается практи­чески неизменным.

Магнитодвижующие силы и , кроме рабочего потока, создают первичный и вторичный потоки рассеяния Φ_σ1 и Φ_σ2. Под первичным потоком рассеяния Φ_σ1 понимается поток, созданный только током i₁ и сцепленный только с первичной об­моткой, а под вторичным потоком рассеяния Φ_σ2 – поток, создан­ный только током i₂ и сцепленный только со вторичной обмоткой. ЭДС рассеяния, создаваемые потоками рассеяния в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будут:

Согласно второму закону Кирхгофа, ЭДС первичной и вто­ричной обмоток определяются из уравнений:

где r₁ и r₂ – активные сопротивления первичной и вторичной обмо­ток.

Уравнения (3) и (4) можно записать в виде:

Уравнения (5) и (6) являются уравнениями электрического равновесия на зажимах первичной и вторичной обмоток.

Работу трансформатора под нагрузкой характеризуют 3 ос­новных уравнения:

уравнение намагничивающих сил

уравнение электрического равновесия

Ряд практических вопросов, относящихся к эксплуатации трансформаторов, решается с помощью эквивалентных схем трансформатора. Эквивалентной схемой трансформатора называ­ется такая комбинация электрически соединенных сопротивлений, которая при ее включении на место трансформатора будет потреб­лять ту же мощность, при том же сдвиге фаз, как и замещаемый трансформатор. На рисунке 2 показана Т-образная эквивалентная схема трансформатора.

Рисунок 2 – Т-образная схема замещения трансформатора

В ней изображает первичную обмотку, — вторичную обмотку, замещает нагрузку трансформатора; оно находится вне эквивалент­ной схемы трансформатора.

В ряде случаев можно существенно упростить эквивалент­ную схему, если пренебречь намагничивающим током . Если отпустить ветвь тока , то в упрощенной схеме сопротивления Z₁ и Z₂ ’ образуют простое последовательное соединение, благодаря чему активное сопротивление эквивалентной схемы , реактивное сопротивление , а будет полным сопротивле­нием упрощенной эквивалентной схемы (рисунок 3).

Рисунок 3 – Уупрощенная схема замещения трансформатора

Для определения полного сопротивление Z достаточно од­ного опыта короткого замыкания, то есть , , .

С помощью упрощенной эквивалентной схемы определяется, в частности, изменение вторичного напряжения трансформатора, вызываемое нагрузкой.

Для изучения работы трансформатора в любом режиме, а также для определения КПД трансформатора важное значение имеют два предельных режима работы: режим холостого хода и режим короткого замыкания.

Режимом холостого хода трансформатора называется такой режим его работы, при котором первичная обмотка включена на сеть переменного тока с частотой f, вторичная обмотка разомкнута.

Опыт холостого хода проводится по схеме, представленной на рисунке 4.

Рисунок 4 – Электрическая схема режима холостого хода

Чтобы создать режим холостого хода, достаточно при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора подать номинальное напряжение U_1H к его первичной обмотке. Для регулировки этого напряжения используются автотрансформаторы, индукционные регуляторы и т.п., позволяющие плавно изменять напряжение.

При опыте холостого хода ток первичной обмотки составляет только от 10 до 2,5% от номинального значения (чем больше мощность трансформатора, тем меньше ток холостого хода).

где и — полные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора; и называются внутренними падениями напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Поэтому в уравнении равновесия (7) падением напряжения в пер­вичной обмотке можно пренебречь и считать, что . Так как I₂=0, то из (8) следует . Следовательно, формулу (1) можно представить так:

Согласно формулам (7) и (8), уравнения электрического равновесия для холостого хода запишутся так:

Соответственно этим уравнениям строится векторная диаграмма холостого хода трансформатора.

Проведем вектор основного магнитного потока Φ_m в положи­тельном направлении оси абсцисс (рисунок 5)

Рисунок 5 – Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

Вектор ЭДС отстает от вектора потока Φ_m на 90°, по фазе с совпадает вектор ЭДС вторичной обмотки. Вектор тока опережает поток на угол магнитного запаздывания α (обычно α<10°). Вектор совпадает по фазе с током , вектор опережает ток на 90°. Чтобы получить вектор напряжения U₁, нужно геометрически сложить составляющие напряжения — , , . Сумма векторов и даст — вектор падения напряжения первичной обмотки.

На рисунке 5 векторы , изображены в сильно уве­личенном по сравнению с ЭДС масштабе. В силовых трансформаторах падение напряжения при холостом ходе обычно меньше 0,5% от U₁. Поэтому треугольник abc на векторной диаграмме обращается в точку и диаграмма принимает вид, предоставленный на рисунке 6.

Рисунок 6 – Упрощенная векторная диаграмма холостого хода трансформатора

Мощность холостого хода трансформатора расходуется на потери в стали сердечника (магнитные потери) и потери в меди первичной обмотки (электрические потери):

где r₁ – активное сопротивление первичной обмотки, Ом (определяется из опыта короткого замыкания).

Подсчет показывает, что потерями можно пренебречь, так как в трансформаторах малой мощности с относительно большим током холостого хода и сопротивлением — они обычно меньше 2% от суммы потерь холостого хода. Поэтому можно принять, что

т.е., что мощность холостого хода практически расходуется только на потери в стали, состоящие из потерь на гистерезис Р_г и потерь на вихревые токи Р_в.т..

Полное, активное, индуктивное сопротивление и коэффициент мощности холостого хода можно найти по формулам:

Короткое замыкание трансформатора представляет собой такой предельный режим его работы, при котором вторичная обмотка замкнута на себя и, следовательно, вторичное напряжение .

Если при коротком замыкании трансформатора к зажимам его первичной обмотки подведено номинальное или близкое к нему напряжение, то токи короткого замыкания в обмотках трансформатора достигают величины, превышающей номинальные токи обмоток в 10÷20 и более раз, так как сопротивления обмоток относительно невелики. Такое короткое замыкание трансформатора возможно в эксплуатационных условиях. Называется оно эксплуатационным или аварийным и представляет большую опасность для трансформаторов.

Другим видом короткого замыкания трансформатора является испытание его в режиме короткого замыкания, которое производится при соответственно пониженном напряжении U_k.

Опыт короткого замыкания трансформатора производится по схеме, представленной на рисунке 7.

Рисунок 7 — Электрическая схема режима короткого замыкания

Автотрансформатором напряжение, подводимое к первичной обмотке, плавно повышается до такого значения U_1к, при котором первичный и вторичный токи станут номинальными: .

Напряжение короткого замыкания U_1k составляет обычно 5÷10% от номинального напряжения первичной обмотки. Поэтому магнитный поток, пропорциональный напряжению (Φ

U_1k), невелик. Потери в стали, пропорциональные квадрату потока (магнитной индукции), незначительны и ими можно пренебречь. На этом основании можно считать, что мощность короткого замыкания (или просто потери короткого замыкания) расходуется на потери в меди обмоток трансформатора, т.е.

если пренебречь намагничивающим током ввиду его относительной малости, то из формулы (2) следует

где – активное сопротивление короткого замыкания трансформатора.

полное сопротивление короткого замыкания

Зная Z_k и r_k, можно найти индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора:

Коэффициент мощности при коротком замыкании

Обычно напряжение короткого замыкания U_1к выражается в процентах от номинального напряжения U_1Н и называется номинальным напряжением короткого замыкания или просто напряжением короткого замыкания:

Напряжение короткого замыкания U_k указывается на щитке трансформатора.

Итак, опыт короткого замыкания позволяет определить потери в меди обмоток трансформатора (11), сопротивление обмоток (12), (13), напряжение короткого замыкания (14).

Параметры Т-образной эквивалентной схемы трансформатора определяется следующим образом. Из схемы замещения трансформатора (рисунок 2) для холостого хода следует:

В силовых трансформаторах, как правило:

С достаточной степенью точности можно считать, что

При активно-индуктивном характере сопротивления потребителя с ростом нагрузки трансформатора падение напряжения на его обмотках будет увеличиваться. Следовательно, величина напряжения на вторичной обмотке U₂ будет уменьшаться, т.к. U₁=const. Кривая зависимости напряжения U₂ на зажимах вторичной обмотки от тока I₂ вторичной цепи при неизменном номинальной частоте f и при неизменном коэффициенте мощности cosφ₂ нагрузки получила название внешней характеристики трансформатора.

Снятие внешней характеристики для активной нагрузки проводится по схеме, изображенной на рисунке 8.

Рисунок 8 – Электрическая схема режима работы трансформатора под нагрузкой

Коэффициент полезного действия трансформатора η определяется косвенным методом по формуле;

Схема включения однофазного трансформатора напряжения

Построение начинается с вектора вторичного тока İ₂, направление которого выбирается произвольно (в нашем случае по оси ординат). Вторичная ЭДС при вторичной активно-индуктивной нагрузке E₂ = R₂I₂ + jX₂ I₂ опережает вектор тока İ₂ на угол ; а ЭДС E₂ опережает поток Ф – на угол 90 о .

Ток намагничивания İ, приведенный также к вторичной обмотке,опережает поток на угол потерь в стали . Первичный ток İ₁ получают путём векторного суммирования векторов токов İ₂ и İ .

Величина вторичного тока зависит от кратности первичного тока ( — номинальный первичный ток ИТТ) и сопротивления нагрузки .

С увеличением и вторичный ток уменьшается по сравнению со значением İ₁ из-за увеличения намагничивающего тока İ. Допустимая погрешность трансформации обеспечивается работой ИТТ в режиме, близком к короткому замыканию вторичной обмотки , т.е. с небольшим . При размыкании вторичной обмотки İ₁ = İ, поток резко возрастает и мгновенные значения ЭДС во вторичной обмотке могут оказаться недопустимо большими, что может вызвать пробой изоляции обмотки и выход из строя ИТТ. Поэтому при протекании тока по первичной обмотке ИТТ вторичную обмотку нельзя размыкать. При необходимости замены измерительного прибора или реле вторичная обмотка ИТТ предварительно накоротко замыкается (или шунтируется обмотка реле, прибора).

При выполнении релейной защиты схемы цепей тока строятся так, чтобы была обеспечена необходимая её чувствительность при использовании наименьшего количества оборудования. По числу фаз, в которые включены используемые в схеме ИТТ, различают: трёхфазные схемы (ИТТ включены в три фазы) и двухфазные (ИТТ включены в две фазы), которые могут использоваться лишь в защитах от многофазных КЗ. Основные схемы соединения обмоток ИТТ приведены на рис. 2.4 (здесь ИО_i – измерительные органы — токовые обмотки реле).

Рисунок 2.4. Схемы соединения обмоток ИТТ(а – схема полной звезды, б – схема соединения с полным треугольником, в — схема соединения ИТТ в фильтр токов нулевой последовательности)

Схема полной звезды – трёхфазная, трёхрелейная (рис. 2.4, а) – может быть использована в защитах от всех видов многофазных и однофазных замыканий.

Соединение ИТТ полным треугольником – трёхфазная, трёхрелейная — (рис. 2.4, б) – может быть использована в защитах от всех видов многофазных и однофазных замыканий.

Соединение ИТТ в фильтр токов нулевой последовательности (рис. 2.4, в). ИТТ устанавливаются в трёх фазах, одноимённые зажимы соединяются параллельно.

Измерительные трансформаторы напряжения

ИТН выполняют в виде двухобмоточного понижающего трансформатора. Схема подключения однофазного трансформатора напряжения показана на рис. Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку заземляют. Условное обозначение трансформатора напряжения такое же, как двухобмоточного трансформатора.

Схема включения однофазного трансформатора напряжения

Особенностью работы ИТН является режим близкий к холостому ходу его вторичной цепи. Первичная обмотка ИТН с числом витков включается на напряжение сети . В режиме холостого хода под действием напряжения по обмотке протекает намагничивающий ток , создающий в магнитопроводе магнитный поток . Магнитный поток, в свою очередь, наводит в первичной и вторичной обмотках ЭДС с действующими значениями соответственно

Откуда получаем следующее отношение:

где — коэффициент трансформации ИТН.

В режиме холостого хода ток , а ток в первичной обмотке равен току намагничивания . При этом и напряжение незначительно отличается от ЭДС . Следовательно,

Работа ИТН с нагрузкой сопровождается протеканием тока и увеличением (по сравнению с холостым ходом) тока . Появление тока во вторичной обмотке увеличивает первичный ток по сравнению с током холостого хода на величину, пропорциональную вторичному току . Вторичный ток как бы проходит через первичную цепь с соответствующим пересчётным множителем .

Эти токи создают падение напряжения в первичной и вторичной обмотках, вследствие чего Ú₂ = Ú′₁ — ∆U ( — напряжение первичной обмотки, приведенное к вторичной). Таким образом, вторичное напряжение отличается от приведенного первичного по значению на и по фазе на угол d. Поэтому ИТН имеет две погрешности: погрешность напряжения в %

и угловую погрешность, которая определяется углом d между векторами напряжений U₁ и U′₂.

На рис. 2.6 показана маркировка зажимов ИТН (а), его Т-образная схема замещения (б).

Рисунок 2.6. Маркировка зажимов ИТН (а) и его Т-образная схема замещения (б)

Построим качественную векторную диаграмму трансформатора (рис.2.7). Построение начинают с векторов напряжения и тока вторичной цепи, соответственно, Ú₂ и İ₂. Обычно трансформаторы в электроэнергетических установках имеют активно-индуктивную нагрузку; в этом случае вектор тока İ₂ отстаёт от вектора напряжения Ú₂ на угол , причём .

Рисунок 2.7. Векторная диаграмма линейного трансформатора

Вектор падения напряжения от вторичного тока на активном сопротивлении İ₂R₂ совпадает по фазе с вектором тока, а на индуктивном сопротивлении рассеяния — опережает его на . Суммируя геометрически векторы: Ú₂, İ₂R₂ и получим падение напряжения на ветви намагничивания от тока намагничивания . Ток намагничивания равен геометрической разности первичного и вторичного токов

Падение напряжения на ветви намагничивания это ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке ,а ток намагничивания отстаёт от неё на . Суммируя геометрически векторы вторичного тока İ₂ и тока намагничивания İ получим вектор первичного тока İ₁ = İ₂ + İ.

Падение напряжения от первичного тока на активном сопротивлении İ₁R₁ совпадает по фазе с вектором тока, а на индуктивном сопротивлении рассеяния — опережает его на . Суммируя геометрически векторы: , и получим вектор ЭДС, приложенной к первичной обмотке E₁.

В зависимости от значения допускаемых погрешностей ИТН подразделяют на три класса точности: 0,5; 1 и 3. Обозначение класса соответствует значению относительной погрешности при номинальном напряжении .

Измерительные органы, в частности реле напряжения, включаются на фазные и междуфазные напряжения. Для этого используются однофазные и трёхфазные ИТН.

Основные схемы соединения обмоток однофазного трёхобмоточного ИТН приведены на рис. 2.8.

Рисунок 2.8. Типовая схема соединения обмоток однофазного трёхобмоточного ИТН

Первичная обмотка соединена в звезду с заземлённой нейтралью. Вторичны обмотки соединены в звезду (верхняя) и разомкнутый треугольник (нижняя).

Для измерения фазных и междуфазных напряжений первичная обмотка соединена в звезду с заземлением нейтрали, которое называется рабочим заземлением.

Для защиты цепей ИТН от замыканий используются предохранители ( в цепях ИТТ они недопустимы).

Заземление вторичных обмоток называется защитным.

С повышением напряжения в электроустановках значительно возрастает стоимость изоляции ИТН. Поэтому в установках 500 кВ и выше в качестве ИТН применяются ёмкостные делители напряжения с использованием конденсаторов высокочастотной связи.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

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: w₁, u₁, i₁ (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

Активная мощность, потребляемая трансформатором. затрачивается на потери мощности в магнитопроводе (Р_м) и электрические потери в обмотке (Р_э)

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:

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:

Опыт короткого замыкания позволяет определить важный параметр трансформатора – напряжение короткого замыкания, это выраженное в процентах напряжение на первичной обмотке:

Экспериментальная часть

На рисунке 3.2 приведены электрические схемы опыта.

Буквенно-цифровые обозначения элементов и приборов, используемых в схемах:

РА1, РА2 – амперметры, измеряющие ток в первичной и вторичной цепи трансформатора;

PV1, PV2 – вольтметры, измеряющие напряжение в первичной и вторичной цепи трансформатора;

РW1 – ваттметр;

HL1, HL2 – нагрузка, в качестве которой используется ламповый реостат;

Т – автотрансформатор;

ТV – однофазный трансформатор;

QF1 – автомат.

Рисунок 3.2 Электрическая схема установки для исследования

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

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 j₁ = ;

вторичная мощность Р₂ = U₂I₂cosj₂;

коэффициент полезного действия h = 100.

3.4.4 По данным исследования трансформатора под нагрузкой построить:

— внешнюю характеристику трансформатора U₂ = f(I₂);

— зависимость сosj и hот мощности нагрузки P₂.

Таблица 3.2 Результаты экспериментов

3.4.5 На основании внешней характеристики трансформатора определить процентное изменение вторичного напряжения DU % при I₂ = I_2н.

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:

где b — коэффициент загрузки трансформатора;

S_н – 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?

Обозначение трансформатора на схеме

В электрических схемах очень часто возникает необходимость в повышении или понижении напряжения. Для выполнения таких преобразований существуют специальные устройства – трансформаторы. В конструкцию прибора входят обмотки в количестве две и более, намотанные на ферромагнитный сердечник. Поэтому обозначение трансформатора на схеме осуществляется, исходя из конкретной модели и конструктивных особенностей.

Основные типы и принцип действия трансформаторов

Существуют различные типы трансформаторов, отображаемые соответственно на электрических схемах. Например, при наличии только одной обмотки, такие устройства относятся к категории автотрансформаторов. Основные конструкции этих приборов, в зависимости от сердечника, бывают стержневые, броневые и тороидальные. Они имеют практически одинаковые технические характеристики и различаются лишь по способу изготовления. Каждое устройство, независимо от типа, состоит из трех основных функциональных частей – магнитопровода, обмоток и системы охлаждения.

Схематическое изображение трансформатора тесно связано с принципом его работы. Все особенности конструкции отражаются в электрической схеме. Очень хорошо просматривается первичная и вторичная обмотка. К первичной обмотке поступает ток от внешнего источника, а с вторичной обмотки снимается уже готовое выпрямленное напряжение. Преобразование тока происходит за счет переменного магнитного поля, возникающего в магнитопроводе.

Схематическое обозначение трансформаторов

Изображение трансформаторов на схемах определяется ГОСТами, разработанными еще при СССР. С незначительными изменениями и дополнениями они продолжают действовать и в настоящее время. В этом документе определены все известные виды трансформаторов, автотрансформаторов и их условные графические изображения, которые могут выполняться ручным способом или с помощью специальных компьютерных программ.

Условные графические изображения трансформаторов и автотрансформаторов могут быть построены тремя основными способами:

• Упрощенная однолинейная схема (чертеж 1) отображает трансформаторные обмотки в виде двух окружностей. Их выводы показываются одной линией, на которую черточками наносится количество этих выводов.
• Для автотрансформаторов предусмотрена развернутая дуга (чертеж 2), отображающая сторону более высокого напряжения.
• Упрощенные многолинейные обозначения обмоток трансформаторов и автотрансформаторов (чертежи 3 и 4) такие же, как и на однолинейных схемах.

Исключения составляют обозначения выводов обмоток, представленные в виде отдельных линий. Кроме того, существуют развернутые обозначения обмоток, изображаемые в виде полуокружностей, соединенных в цепочку (). В данной схеме не устанавливается число полуокружностей и направление выводов обмотки. Начало обмотки обозначается точкой .

В зависимости от конструкции, трансформаторы отображаются на схемах следующим образом: трансформатор без магнитопровода с постоянной связью (рисунок 1) и с переменной связью (рисунок 2). Полярность мгновенных значение напряжения (рисунок 3) представлена на примере трансформатора с двумя обмотками и указателями полярности. Трансформаторы с магнитодиэлектрическими магнитопроводами обозначаются как обычный (рисунок 4) и подстраиваемый (рисунок 5).

Существуют и другие схематические обозначения, отображающие количество фаз, расположение отводов, тип соединения (звезда или треугольник) и другие параметры.