Электротехника

• Название: Электротехника
• Дата: 24.01.2023
• Размер: 0.81 Mb.
• Имя файла: LR_oznakomitsia_s_laboratornymi_No_2_i_No_3_12230725.docx
• Тип: Методические указания; #903155
• страница: 6 из 6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

«ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА»

Цель работы
Ознакомиться с назначением и основными характеристиками однофазного трансформатора, работой трансформатора при различном характере нагрузки.
Пояснения к работе
Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, преобразующий параметры электрической энергии переменного тока и передающий эту энергию из одной цепи в другую. С помощью трансформатора можно преобразовывать основные параметры электрической энергии переменного тока (ток, напряжение). Электрическая мощность при этом остается почти неизменной. В зависимости от соотношения номинальных напряжений у трансформатора различают обмотку высшего напряжения и обмотку низшего напряжения.


Рис. 5.1 Конструкция трансформатора
В простейшем случае (рис. 5.1) трансформатор имеет одну первичную обмотку 1, к которой подводится электрическая энергия, и одну вторичную обмотку 2, от которой энергия отводится к потребителю (нагрузке). Передача энергии из одной обмотки в другую производится посредством электромагнитной индукции. Для усиления электромагнитной связи между обмотками они обычно располагаются на замкнутом ферромагнитном сердечнике 3. Сердечник изготавливается из листов электротехнической стали. При частоте порядка 100 МГц и выше потери на вихревые токи и гистерезис в подобном сердечнике становятся чрезвычайно большими, и в этом случае применяют трансформаторы без ферромагнитного сердечника (воздушные трансформаторы).

Коэффициент трансформации по напряжению показывает, как соотносятся числа витков в обмотках, а также ЭДС, индуктируемые в обмотках:


Коэффициент трансформации можно определить с достаточной точностью, измерив при холостом ходе трансформатора (вторичная обмотка разомкнута) напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток.

Так как первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически не соединены, электрическая мощность из первичной обмотки во вторичную обмотку передается при помощи магнитного потока, замыкающегося по сердечнику трансформатора. Мощность, потребляемая трансформатором, больше мощности, отдаваемой трансформатором потребителю, на величину потерь в самом трансформаторе. Потери мощности в обмотках и сердечнике трансформатора относительно невелики. Полная номинальная мощность трансформатора обычно определяется как

где - номинальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

- номинальный ток вторичной обмотки трансформатора.

К предельным режимам работы трансформатора относят холостой ход и короткое замыкание.

В режиме холостого хода нагрузка не подключена, сопротивление , потребляемая из сети электрическая энергия идет на потери в стали (из-за перемагничивания магнитопровода и вихревых токов).

В режиме короткого замыкания выводы трансформатора замыкаются накоротко, сопротивление нагрузки , потребляемая из сети электрическая энергия идет на потери в меди (нагрев проводов обмоток).

Подключение потребителей электрической энергии к трансформатору позволяет передавать им энергию, повышая или понижая напряжение. С увеличением тока нагрузки от холостого хода до номинального значения напряжение на зажимах вторичной обмотки понижается из-за увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора. Это иллюстрирует одна из основных характеристик трансформатора, которая, как и у любого источника электропитания, называется внешней характеристикой (рис. 5.2).



Рис. 5.2 Внешняя характеристика трансформатора
Наклон внешней характеристики зависит от коэффициента мощности потребителя (характера потребителя). При этом увеличивается и ток I₁, потребляемый трансформатором из сети, а общий магнитный поток в сердечнике трансформатора остается практически постоянным при неизменном значении первичного напряжения.

Работа трансформатора описывается также рабочими характеристиками, к которым относятся зависимости


при ,



где - активная мощность трансформатора, отдаваемая нагрузке.

Рабочие характеристики снимаются для выбора оптимальной зоны работы трансформатора.

При расчетах электрических цепей трансформатор заменяют схемой замещения. Параметры простейшей Г-образной схемы замещения трансформатора (рис. 5.3) легко определяются по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатора.



Рис. 5.3 Г-образная схема замещения трансформатора
При холостом ходе определяют параметры магнитопровода:


.
При коротком замыкании определяют параметры обмоток:



По схеме замещения можно рассчитать величину тока короткого замыкания трансформатора I_{1к авар}, которое может иметь место в эксплуатационных условиях



Паспортные данные исследуемого трансформатора приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Тип	, В	, В	, ВА
BV EI 481 1119	220	12	10

Порядок выполнения работы

1. 
   Ознакомиться с лабораторным оборудованием (модуль питания, модуль однофазного трансформатора, автотрансформатор, модуль мультиметров, измеритель мощности);
   
2. 
   Собрать электрическую цепь согласно схемы на рисунке 9.4. На измерителе мощности установить предел измерения тока 200 мА и предел измерения напряжения 300 В. Вольтметр перевести в режим измерения переменного напряжения. Представить схему для проверки преподавателю.
   
3. 
   Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF1 модуля питания и выключатель SA1 модуля автотрансформатора) и измеритель мощности (тумблер «Сеть»).
   
4. 
   Провести опыт холостого хода однофазного трансформатора. При отключенной нагрузке во вторичной цепи трансформатора, подать напряжение на трансформатор (переключатель SA1). Установить на выходе автотрансформатора напряжение 220 В. Провести измерения первичного напряжения , тока холостого хода , активной мощности трансформатора Р₁₀ и коэффициента мощности в режиме холостого хода трансформатора. Результаты измерений занести в таблицу 5.2. Снять электропитание с трансформатора (переключатель SA1).
   

Рис. 9.4 Схема для исследования режима холостого хода однофазного трансформатора

Таблица 5.2

Режим холостого хода

Измерено					Вычислено
U10, В	I10, А	Р10, Вт	U20, В	cosφ10	Z0, Ом	R0, Ом	Х0, Ом	К12	I2Н, А	I1Н, А

По результатам измерений рассчитать коэффициент трансформации К₁₂ и параметры ветви холостого хода схемы замещения трансформатора (Z_0, R₀, X₀). Рассчитать по паспортным данным номинальный вторичный ток трансформатора и с учетом коэффициента трансформации номинальный первичный ток

5. 
   Исследовать трансформатор в режиме короткого замыкания. Для этого установить ручку автотрансформатора в крайнее левое положение, замкнуть вторичную обмотку накоротко (рис. 9.5). Представить схему для проверки преподавателю и объяснить порядок проведения опыта.
   

Включить питание стенда и плавно увеличивая величину выходного напряжения автотрансформатора, установить номинальное значение тока в первичной обмотке трансформатора в соответствии с рассчитанным в п.4 значением. Измерить величину напряжения короткого замыкания , первичного тока и активную мощность , потребляемую трансформатором в опыте короткого замыкания. Результаты измерения занести в таблицу 5.3. Выключить трансформатор, автотрансформатор, измеритель мощности и электропитание стенда.



Рис. 9.5 Схема для исследования режима короткого замыкания однофазного трансформатора

Таблица 5.3

Режим короткого замыкания

Измерено			Вычислено
U1К, В	I1К, В	РК, Вт	UК, %	ZК, Ом	RК, Ом	ХК, Ом	I1К авар, %

По результатам измерений рассчитать, напряжение короткого замыкания , %, параметры схемы замещения Z_к, R_к, Х_к и величину тока аварийного короткого замыкания I_1кавар в процентах от I_1Н (табл. 5.3).

6. 
   Исследовать трансформатор в рабочем режиме. Собрать электрическую цепь согласно схемы на рисунке.9.6;
   

Рис. 9.6 Схема для исследования рабочего режима однофазного трансформатора
Подать напряжение на трансформатор (переключатели SA1 на модулях автотрансформатора и однофазного трансформатора). Ручкой на модуле автотрансформатора необходимо поддерживать напряжение на первичной обмотке трансформатора 220 В. Плавно изменяя величину нагрузки R_Н с помощью потенциометра RP2, снять зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока во вторичной цепи U₂=f(I₂), а также зафиксировать значения напряжения в первичной цепи U₁, тока в первичной цепи I₁, активной мощности P₁, коэффициента мощности cosφ₁.

Результаты измерений занести в таблицу 9.4. Снять напряжение с трансформатора и отключить электропитание стенда (переключатель SA1).
Таблица 9.4

Рабочий режим

Измерено							Вычислено
Сторона вторичного напряжения		Сторона первичного напряжения
U2, В	I2, В	U1, В	I1, А	Р1, Вт	cosφ1	Р2, Вт		η
…

По результатам измерений рассчитать активную мощность P₂, потребленную нагрузкой, и коэффициент полезного действия трансформатора ƞ;

По полученным данным, построить внешнюю и рабочие характеристики трансформатора при активном характере нагрузки;

В выводе, опираясь на экспериментальные данные, сделать заключение о наиболее целесообразном диапазоне нагрузок трансформатора.
Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать:

1. 
   Титульный лист.
   
2. 
   Цель работы.
   
3. 
   Принципиальные схемы электрических цепей для каждого эксперимента.
   
4. 
   Результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов.
   
5. 
   Внешняя и рабочие характеристики трансформатора при активной нагрузке;
   
6. 
   Выводы по работе.
   

Контрольные вопросы

1. 
   Дайте определение трансформатора. Расскажите о применении трансформаторов.
   
2. 
   Объясните принцип действия однофазного трансформатора.
   
3. 
   Определение коэффициента трансформации. Как опытным путем определить его значение?
   
4. 
   Какие процессы характеризует активная мощность, потребляемая трансформатором из сети в режиме холостого хода и в режиме короткого замыкания?
   
5. 
   Какие параметры позволяет рассчитать схема замещения однофазного трансформатора? Для чего проводится данный расчет?
   
6. 
   Почему при увеличении тока нагрузки увеличивается ток, потребляемый трансформатором из сети?
   
7. 
   Почему при изменении нагрузки изменяется КПД трансформатора?
   
8. 
   Почему при активной нагрузке увеличение тока ведет к уменьшению вторичного напряжения?
   
9. 
   Почему внешняя характеристика трансформатора зависит от характера нагрузки?
   

Учебное издание

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Методические указания к лабораторным занятиям обучающихся

Составитель

БАКЛАНОВ Андрей Владимирович

В авторской редакции

Подписано в печать 12.02.2021. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 3.

Тираж 100 экз. Заказ № 18-915.

Библиотечно-издательский комплекс

федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего образования

«Тюменский индустриальный университет».

625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.
Типография библиотечно-издательского комплекса.

625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.