Трансформаторы. Лаб Раб 22 транс. Лабораторная работа 2 Построение внешней характеристики двухобмоточного трансформатора. 2016 Цель работы

• Название: Лабораторная работа 2 Построение внешней характеристики двухобмоточного трансформатора. 2016 Цель работы
• Анкор: Трансформаторы
• Дата: 10.05.2022
• Размер: 1.02 Mb.
• Имя файла: Лаб Раб 22 транс.doc
• Тип: Лабораторная работа; #520639

Учреждение образования

«Гродненский государственный университет имени Янки Купалы»
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Лабораторная работа №2

Построение внешней характеристики двухобмоточного трансформатора.

2016
Цель работы:
Изучить работу трансформатора при различных нагрузках и построить внешнюю характеристику трансформатора в зависимости от характера нагрузки.
Теоретическая часть
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока. В зависимости от назначения трансформаторы разделяют на силовые трансформаторы общего назначения и трансформаторы специального назначения. Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроустройствах для получения требуемого напряжения. Трансформаторы специального назначения характеризуются разнообразием рабочих свойств и конструктивного исполнения. К этим трансформаторам относятся печные и сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики (пик-трансформаторы, импульсные, умножители частоты и т.п.), испытательные и измерительные трансформаторы и т. д.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 1, а).




б)



Рис. 1. ­ Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы трансформатора
Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока на напряжение U1. К другой обмотке, называемой вторичной, подключен потребитель Zн. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них ЭДС:

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции

e₁ = –w₁(dФ/dt), (1.)

Во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции

е₂ = –w₂(dФ/dt),(2)

где w₁ и w₂ — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки Z_н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДСе₂в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U₂. В повышающих трансформаторах U₂ >U₁, а в понижающих U₂ <U₁.
Внешние характеристики трансформатора.
Зависимость вторичного напряжения трансформатора от нагрузки называют внешней характеристикой. В силовых трансформаторах за номинальное напряжение на зажимах вторичной обмотки принимают напряжение режима х.х. при номинальном первичном напряжении. Вид внешней характеристики (рис. 2) зависит от характера нагрузки трансформатора (cos₂).



Рис. 2. ­ Вид внешней характеристики трансформатора при различных видах нагрузки.
В трансформаторах большой и средней мощности, т.е. обычного исполнения, ток холостого хода сравнительно мал(0.510 % от ). Поэтому для нахождения падения напряжения пользуются упрощенной схемой замещения без намагничивающей ветви .



Рис.3 Упрощенная схема замещения без намагничивающей ветви .
При номинальных токах погрешность в определении первичного тока от пренебрежения намагничивающей ветвью, а значит, и током холостого хода, составляет около 0.1 %.



.

Строим векторную диаграмму:



Из-за малости угла ( ) считаем модулем отрезок Тогда падение напряжения представится отрезком |AC|:





В малых трансформаторах в силовых трансформаторах:

С повышением частоты питающего напряжения величина при заданных габаритах увеличивается.

Отношение уменьшается и уменьшается . Потому трансформаторы малой мощности, работающие на повышенных частотах, по соотношению и приближаются к мощным трансформаторам.

Обычно, определяют падение напряжения U в трансформаторе при и номинальной частоте f как алгебраическую разность



- вторичное напряжение при холостом ходе;

- вторичное напряжение при нагрузке.

При холостом ходе отсутствует или очень мало падение напряжения в обмотках трансформатора. Поэтому получаем:



Таким образом, выражение для падения напряжения U в относительных единицах записывается:



Из выражения для падения напряжения видно, что оно пропорционально току нагрузки: . Поэтому, если ввести понятие коэффициента нагрузки

,

то, умножив правую часть

(1)

на , получим :
(**), видно, что при заданном  относительная величина падения напряжения u% зависит от фазового угла . Учитывая сказанное выше о величинах и для силовых трансформаторов и трансформаторов малых мощностей внешние характеристики трансформаторов (для построения внешней характеристики может быть использована формула ), под которыми понимается зависимость



Выражение (**) позволяет при известном коэффициенте нагрузки β и коэффициенте мощности cosϕ₂ определить абсолютное значение напряжения на вторичной обмотке и построить внешнюю характеристику (зависимость U₂ от I₂ или от β) :



Те же характеристики для трансформаторов малой мощности имеют вид:



Тот или иной вид характеристики получался в связи с различным «удельным весом» % и % в силовых и микротрансформаторах внешние характеристики зависят от мощности трансформатора при одинаковых . Действительно, из приведенных выше выражений следует, что при заданном  величина u% зависит от cos . Выше мы указали, что в силовых трансформаторах % больше %, поэтому при чисто активной нагрузке и прочих равных условиях падение напряжения меньше, чем при индуктивной. А при емкостном характере нагрузки <0 с ростом  U может изменить знак ( ). То, что напряжение на нагрузке может быть больше напряжения на зажимах первичной обмотки при активно-емкостной нагрузке, видно и из (**), и из векторной диаграммы.

При активно-индуктивной нагрузке микротрансформаторов, чем меньше cos , тем выше располагаются внешние характеристики.
Более наглядно зависимость выходного напряжения трансформатора от характера нагрузки можно проследить с помощью векторной диаграммы

Построение векторной диаграммы трансформатора при активно-индуктивной нагрузке

Все параметры схемы замещения работающего трансформатора, за исключением , являются постоянными величинами и могут быть определены из опытов холостого хода и короткого замыкания.

По основным уравнениям эдс и токов можно построить векторную диаграмму, которая наглядно показывает соотношения между токами, эдс и напряжениями.

Она является графическим выражением основных уравнений приведенного трансформатора.

Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной нагрузке приведена на рис. 4.



Рис. 4. Векторная диаграмма транс­фор­матора при активно-индуктивной нагрузке
Порядок построения векторной диаграммы:

– проводится произвольно вектор магнитного потока ;

– построение векторов и аналогично диаграмме холостого хода;

– эдс отстают на 90 от магнитного потока Ф_m;

– определив величину тока , откладываем вектор под углом ₂, который находим по формуле ;

– согласно уравнению (13.13) строим вектор ;

– по формуле (13.14) находим вектор ;

– по формуле (13.15) получаем вектор .

По полученным данным можно построить внешнюю характеристику U₂ = f(I₂) и зависимость cos₁ = f(I₂).

В случае активно-емкостной нагрузки вид диаграммы изменится при прежнем порядке построений. Ток опережает эдс по фазе на угол .
Ниже приведены векторные диаграммы для различных нагрузок, построенные аналогично. Из диаграммы в) видно, что напряжение на нагрузке может быть больше напряжения на зажимах первичной обмотки при активно-емкостной нагрузке.



Коэффициент полезного действия трансформатора
Коэффициент полезного действия трансформатора определяется по формуле
,
где P₂ – мощность, отдаваемая (полезная) вторичной обмоткой; P₁ – мощность подведенная (затраченная) к первичной обмотке.

Разность между подведенной и отдаваемой мощностями является потерями мощности:
. (26)
Потери мощности в трансформаторе делятся на магнитные и электрические.

Магнитные потери – это потери мощности в магнитопроводе (потери в стали) на гистерезис и на вихревые токи.

– потери холостого хода (постоянные потери).

Электрические потери – это потери, связанные с нагревом обмоток трансформатора:

– переменные потери, так как зависят от силы тока (Р_м ) (см. 4),

,

где  – коэффициент нагрузки,

-потери, связанные с нагревом обмоток при номинальном токе.

- потери, связанные с нагревом обмоток определяются в режиме короткого замыкания.

Тогда, коэффициент полезного действия трансформатора определяется по формуле

(27)

Полезную мощность можно определить по формуле

,

где m – число фаз трансформатора,

при m = 1 .
Если , то
,
подставим значения потерь мощности
.

Максимальное значение кпд соответствует такой нагрузке, когда магнитные потери равны электрическим потерям ,


откуда .

Практическая часть
Внешняя характеристика трансформатора
1. Собрать схему, представленную на рис. 5.

2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA23, SA24, SA25, SA26), находятся в положении «выключено», все регуляторы заданий выходных величин преобразователей (RP1, RP2, RP3, RP4, RP5) находятся в крайнем левом положении, все дополнительные переключатели (SA3, SA4, SA6, SA7) находятся в выключенном положении, а также на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного опыта перемычки.

3. Коммутатор SA9 установить в крайнее левое положение.

4. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части стенда – надпись «Сеть»).

5. Установить выключатель SA30 в положение «PV1», выключатель SA31 – в положение «PV2».

6. Подключить исследуемый трансформатор к сети, нажав кнопку SВ3.

7. Данные напряжения (вольтметр PV2) и тока (амперметр PA2) вторичной обмотки и тока (амперметр PA1) первичной обмотки трансформатора занести в таблицу 1.3.

8. Тумблером SA8 выбрать тип нагрузки трансформатора.

9. Тумблером SA7 подключить нагрузку к трансформатору.

10. Данные напряжения (вольтметр PV2) и тока (амперметр PA2) вторичной обмотки и тока (амперметр PA1) первичной обмотки трансформатора занести в таблицу 1.3.

11. Тумблер SA31 перевести в положение «PW2». Данные мощности вторичной обмотки трансформатора (ваттметр PW1) занести в таблицу 1.3. Вернуть тумблер SA31 в положение «PV2».

12. Коммутатором SA9 увеличить нагрузку трансформатора. Повторить п. 11, увеличивая нагрузку трансформатора до максимальной.

Повторите эксперимент для других видов нагрузки.

Завершив эксперимент, необходимо:

тумблером SA27 отключить нагрузку от трансформатора;

отключить исследуемый трансформатор от сети, нажав кнопку SB4;

выключить автоматический выключатель «Сеть».




Рис. 5. ­ Исследование внешней характеристики трансформатора
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. 
   По результатам таблицы определить .
   
2. 
   По формуле (1) рассчитать u% (взяв необходимые параметры из лабораторной работы №1)
   
3. 
   Построить внешнюю характеристику трансформатора для разных нагрузок.
   
4. 
   Сравнить результаты, полученные экспериментальным и расчетным путем.
   
5. 
   Построить зависимость КПД трансформатора (формула (27) ) от силы тока и от характера нагрузки (взяв необходимые параметры из лабораторной работы №1)
   

Контрольные вопросы

1.Поясните принцип работы трансформатора.

2.Что такое внешняя характеристика трансформатора? От чего зависит вид внешней характеристики?

Литература

Кацман М.М. Электрические машины автоматических устройств. Учеб.пособие для электротехнических специальностей техникумов. - М. ФОРУМ, ИНФРА-М, 2002. 264с