Новости

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Работа добавлена:






ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА на http://mirrorref.ru

Лабораторная работа 46

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Задачи работы

  1. Изучение различных режимов работы трансформатора.
  2. Расчёт величины параметров, характеризующих трансформатор.

Физическое обоснование эксперимента

Цель работы: изучить в различных режимах работу однофазного трансформатора и рассчитать величины характеризующих трансформатор параметров.

Прежде чем приступить к выполнению работы, необходимо ознакомиться с введениями по темам «Переменный электрический ток», «Мощность переменного тока».

Трансформатором называется устройство, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции:при изменении потока магнитной индукции Φ, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в нём возникает электрический ток.Направлен этот ток, называемыйиндукционным, всегда так, чтобы максимально противодействовать вызывающей его причине. ЭДС индукции определяется уравнением Фарадея–Ленца:

.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника (магнитопровода), на который намотаны две (или более) обмотки (Рис. 46.1). Обмотки эти электрически изолированы друг от друга. Сердечник собирается из отдельных листов трансформаторной стали с малой коэрцитивной силой, разделённых изолирующими слоями лака, бумаги или пластика. Применение наборных сердечников уменьшает величину индукционных (вихревых) токов, возникающих в них, что увеличивает КПД трансформатора.

Рис. 46.1.

Первичной называется обмотка трансформатора, соединённая с внешним источником переменного напряжения. Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке - число витковn1, напряжениеU1, сила токаI1, мощностьР1 и т.д. Обмотка, с которой снимается электроэнергия, и, соответственно, относящиеся к ней величины называютсявторичными -n2,U2,I2,Р2,R2,XL2,Z2.

ТокI1 в первичной обмотке трансформатора возникает под действием первичного синусоидального напряженияU1. Этот ток порождает в магнитопроводе переменный магнитный поток: Φ = Φmsint. Этот поток, пронизывая обе обмотками трансформатора, индуцирует в них ЭДС, мгновенные значения которых будут по закону Фарадея-Ленца равны:

e1 = -n1· = -·n1·Φm·cost =Em1·sin(t -/2),

46.1

e2 = -n2· = -·n2·Φm·cost =Em2·sin(t -/2)

46.2

Из формул видно, что ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках отстаёт по фазе от магнитного потока. Отношение мгновенных, амплитудных и действующих значений этих ЭДС равно отношению чисел витков обмоток трансформатора:

46.3

ОтношениеK называетсякоэффициентомтрансформации. Это важнейшая характеристика трансформатора. Если устройство трансформатора таково, чтоK 1 (то есть вторичное напряжениеU2 больше первичногоU1), то трансформатор называетсяповышающим, еслиK 1 (то естьU2U1), то -понижающим.

Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора называют отношение мощности, выделяемой на нагрузке, к мощности, потребляемой первичной обмоткой от сети:

.

46.4

При номинальной (то есть той, на которую он рассчитан) нагрузке мощного трансформатора его КПД очень высок - до 95%. Он существенно понижается лишь при малых нагрузках или у маломощных трансформаторов.

Рассмотрим работу трансформатора с точки зрения закона сохранения энергии. Из мощностиР1, подведённой к первичной обмотке, частьРпр1 расходуется на нагревание проводов первичной обмотки, а частьРс затрачивается в сердечнике на потери от перемагничивания (гистерезиса) и вихревых токов. Остальная мощность передается во вторичную обмотку:

Р12 =Р1 -Рпр1 -Рс.

Во вторичной обмотке часть мощностиРпр2 теряется на нагревание проводов, а оставшаясяР2 передается во вторичную цепь:

Р2 =Р12 -Рпр2 =Р1 -Рпр1 -Рс -Рпр2.

В реальных трансформаторах часть магнитного потока замыкается вне магнитопровода, образуя потоки рассеяния. Однако в современных трансформаторах эти потоки малы по сравнению с основным потоком в магнитопроводе, в результате чего потери передаваемой мощности минимальны.

Напряжения, токи и ЭДС в обмотках (без учёта ЭДС, наводимых потоками рассеяния) связаны соотношениями:

u1 + e1 =i1r1

u2 +i2r2 = e2.

Если напряжениеu1, приложенное к первичной обмотке синусоидальное, то магнитный поток Φ и ЭДСe1 иe2 будут также синусоидальными, поэтому при анализе работы трансформатора удобно рассматривать действующие значения ЭДСЕ1 иЕ2, напряженийU1 иU2 и токовI1 иI2. Омические сопротивления обмоток обычно малы и ими в ряде случаев можно пренебречь.

Основные характеристики трансформатора и его параметры могут быть изучены в опытаххолостого хода трансформатора, в опытах егорабочего режимаи в опытахкороткого замыкания.

Режим холостого хода

Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, когда к зажимам первичной обмотки подводится переменное напряжение, а цепь вторичной обмотки разомкнута.

В режиме холостого хода ток в первичной обмоткеI1хол очень мал и сопротивление первичной обмотки у трансформаторов обычно тоже мало. Следовательно падение напряжения на первичной обмотке при холостом ходе пренебрежимо мало, то есть можно считать, чтоU1 =е1. Во вторичной обмотке в режиме холостого хода напряжение в точности равно ЭДС (U2хол =е2), так как обмотка разомкнута.. Эти факты позволяют определять в режиме холостого ходакоэффициент трансформации.

.

46.5

Мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, затрачивается на потери в стальном сердечнике (на его перемагничивание и на вихревые токи Фуко в нем) и на нагревание (джоулевы потери) одной лишь первичной обмотки (I1хол)2r1, гдеr1 - омическое сопротивление первичной обмотки. Однако в этом режиме потери на джоулево нагревание обмотки ничтожны по сравнению с потерями в стали (исключение составляют лишь трансформаторы малой мощности). Следовательно, вся мощность холостого хода трансформатора практически затрачивается лишь на потери в стали, и, поэтому, опыт холостого хода позволяет определитьпотери в сталитрансформатора.

Рабочий режим

В рабочем режиме трансформатора во вторичную обмотку включается омическая нагрузка. Во вторичной цепи трансформатора ЭДС индукцииЕ2 играет роль источника энергии. Она создаёт токI2, который порождает в сердечнике вторичный магнитный поток. Согласно правилу Ленца, этот поток направлен противоположно основному потоку, индуцирующему ЭДСЕ2, стремясь его уменьшить. А это, опять же по правилу Ленца, приводит к увеличению первичного тока при том же самом напряжении в первичной цепи настолько, чтобы восстановить первоначальный магнитный поток, при котором существует равновесие в первичной цепи между напряжениемU1 и наведенной ЭДСЕ1 (U1Е1).

Таким образом, всякое изменение силы тока во вторичной обмотке трансформатора вызывает соответствующее изменение силы тока в первичной, но практически не влияет на амплитуду основного магнитного потока Φ. Следовательно, пока не изменяется первичное напряжениеU1 трансформатора, остаётся неизменным и его основной магнитный поток Φ, что характерно для рабочего режима трансформатора. Изменением сопротивления нагрузки можно изменять ток во вторичной обмотке, и, тем самым, при постоянном напряженииU1 варьировать мощность, выделяющуюся во вторичной обмотке (отбираемую от трансформатора потребителем).

Электрическая мощность, подаваемая в первичную цепь трансформатора и измеряемая ваттметром, включенным в эту цепь, равна:

P1 =I1·U1·cos1.

46.6

Измерив напряжение и ток в первичной обмотке, можно определитькоэффициент мощности(см. Введение) первичной цепи:

.

46.7

Аналогичные измерения, проведённые для вторичной обмотки, дают:

P2 =I2·U2·cos2,

46.8

.

46.9

КПД трансформатора будет выражаться формулой:

.

КПД в зависимости от отбираемой из вторичной цепи мощности будет изменяться. График этой зависимости =f (I2), как показывает теория, обладает максимумом. КПД трансформатора достигает максимума в тот момент, когда потери в стальном сердечнике трансформатора равны джоулевым потерям в обмотках.

Режим короткого замыкания.

Режимом короткого замыкания трансформатора называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко или на очень малое сопротивление. Короткое замыкание в условиях эксплуатации создаёт аварийное состояние, поскольку вторичный ток, а, следовательно, и первичный, увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальными, что может вызвать разрушение трансформатора. Поэтому в цепях с трансформатором должна быть предусмотрена защита, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

В лабораторных условиях можно провести испытательные опыты по короткому замыканию трансформатора. Для этого опыта на первичную обмотку подаётся очень маленькое (близкое к нулю) напряжение, а зажимы вторичной обмотки трансформатора замыкаются накоротко. Таким образом, в режиме короткого замыкания на трансформатор подаётся очень маленькая мощность. Посредством вольтметра, амперметра и ваттметра измеряются напряжениеU1кор, токI1кор и мощностьР1кор, потребляемая трансформатором. При очень малом напряженииU1, и малом токе первичной обмотки в сердечнике возбуждаются малые магнитные потоки Φкз (основной магнитный поток сцепления уже сравним с магнитным потоком рассеяния, которым пренебрегали в рассматриваемых ранее электромагнитных процессах). Малость магнитных потоков приводит к тому, что потери в стали сердечника становятся близки к нулю (Рст 0). Вместе с тем при опыте короткого замыкания величины сил токов, а значит и потери в проводниках обмоток такие же, как и при нагрузке. На этом основании можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощностьР1кор затрачивается на джоулевы потери в проводниках обмоток трансформатора:

Р1кор =I12r1 +I22·r2.

Иногда трансформатор представляют в виде упрощённой эквивалентной схемы, для которой используется понятие активного сопротивления.Активное сопротивлениетрансформатора илисопротивление короткого замыканияRКЗ определяется в режимекороткого замыкания как:

.

46.10

Опыт короткого замыкания служит также контрольным опытом для определениякоэффициента трансформации. Так как в этом режиме суммарный магнитный поток в сердечнике очень мал, то в первом приближении намагничивающая сила в первичной цепиI1·n1 уравновешивается размагничивающим действием вторичного токаI2·n2:

I1·n1I2·n2.

Следовательно:

.

46.11

Порядок выполнения работы.

Рис. 46.2.

  1. Изучить схему (Рис. 46.2), стационарно собранную на лабораторном столе.
  2. Провести опытхолостого хода трансформатора.

Для этого:

  1. Проверить положение ключей К1 и К2 во вторичной цепи. Они должны бытьразомкнуты.
  2. Установить напряжениеU1 = 120 В в первичной цепи с помощью ЛАТРа.
  3. Снять показания всех приборов и записать их в первую строку Таблицы 46.1.
    1. Выполнить измерения в рабочем режиме трансформатора.

Для этого:

  1. Замкнуть ключ К1 во вторичной цепи.
  2. Напряжение в первичной цепиU1 = 120 В поддерживать постоянным в течение опыта.
  3. Изменять токI2вторичной цепи от 1 до 10 A через 1 A, изменяя сопротивление нагрузки с помощью реостатовR1 иR2.
  4. Показания всех приборов свести в Таблицу 46.1.
    1. Провести опыт короткого замыкания трансформатора.

Для этого:

  1. Напряжение в первичной цепи установитьравным 0 (U1 = 0 В)
  2. Толькопослетого, как убедитесь, чтовольтметр первичной цепи показывает 0, можно замкнуть ключи К1 и К2во вторичной цепи.
  3. С помощью ЛАТРа постепенно увеличивая напряжение в первичной цепи последовательно установить значения токаI2от 2 А до 10 А через 2 А. В Таблицу 46.2 занести показания амперметра и ваттметра (I1 иP1) в первичной цепи.
  4. . В Таблицу 46.2 занести показания амперметра и ваттметра (I1 иP1) в первичной цепи.

Таблица 46.1.

U1, В

I1, А

P1, Вт

U2, В

I2, А

P2, Вт

Режим холостого хода

120 — Числа, записанные в этой строке таблицы, являютсяпримером записи результатов.

15

43

105

0

0

Рабочий режим

1,0

2,0

10

Таблица 46.2. Режим короткого замыкания

I2, А

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

P1, Вт

I1, А

Содержание отчёта

  1. Таблицы наблюдений в режиме холостого хода, рабочем режиме и в режиме короткого замыкания.
  2. Расчёт коэффициента трансформацииКиз данных Таблицы 46.1 по формуле (46.3).
  3. Величину потерь мощности в стальном сердечнике трансформатора, определённую из Таблицы 46.1.
  4. Расчет значений КПД трансформатора в зависимости от тока во вторичной обмотке =  =f(I2). График зависимости =f(I2).
  5. Вычисление значенийcos1 иcos2по формулам (46.7) и (46.9). Графики зависимости этих коэффициентов от мощностиI2.
  6. Расчёт среднего значения активного сопротивленияr из данных Таблицы 46.2 по формуле (46.10).
  7. Расчёт среднего значения коэффициента трансформацииК из данных Таблицы 46.2 по формуле (46.11). Сравнение полученного значения с коэффициентом, рассчитанным по формуле (46.3).
  8. График зависимости потерь мощности в проводах обмоток от величиныI2 (Pпр =f(I2)) (по указанию преподавателя).
  9. Из построенного графика (Pпр =f(I2)) найти то значение токаI2, при которомPст =Pпр. Убедиться, что положение максимума КПД приходится на это значение тока.

Контрольные вопросы

  1. Какой физический закон лежит в основе работы трансформатора?
  2. Какие режимы работы трансформатора предлагается изучить в работе?
  3. Что такое коэффициент мощности трансформатора?
  4. В каком режиме можно определить коэффициент трансформации?

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Реферат Исследование работы трехфазного трансформатора при несимметричной нагрузке

2. Реферат Режим работы и опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора

3. Реферат Трансформаторы: конструкция, принцип работы, схема замещения и уравнения однофазного трансформатора

4. Реферат Схема замещения и параметры двухобмоточного трансформатора. Паспортные данные трансформатора их использование для расчета параметров схемы замещения

5. Реферат Основы работы с MATLAB. Изучение простейших операций и приемов работы в среде пакета MATLAB

6. Реферат Изучение технологической, поездной, грузовой и коммерческой работы на станции, начально-конечных операции, организации работы погрузочно-разгрузочных работ, организации выполнения операции в ЛАФТО

7. Реферат ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВОЛЬТМЕТРОВ

8. Реферат ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

9. Реферат Изучение принципов работы омметра

10. Реферат Изучение работы литейного цеха