ИНФ11. Электромеханические системы. Лабораторные работы. Методические указания по лабораторным работам Электромеханические системы Набережные Челны 2013 содержание введение 4

• Название: Методические указания по лабораторным работам Электромеханические системы Набережные Челны 2013 содержание введение 4
• Анкор: ИНФ11
• Дата: 13.12.2022
• Размер: 1.12 Mb.
• Имя файла: Электромеханические системы. Лабораторные работы.doc
• Тип: Методические указания; #842604
• страница: 4 из 8

Лабораторная работа 3

«Исследование параметров однофазного трансформатора»

Продолжительность работы 2 часа
1. Цель

Практическое изучение конструкции трансформатора, экспериментальное определение параметров схемы замещения, исследование внешней и энергетических характеристик при разном характере нагрузки.

2. Объект исследования

Трансформаторы широко используются в устройствах автоматики, в измерительной, информационной технике, в силовом канале и канале управления электроприводами.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одного уровня переменного напряжения (тока) в другой уровень напряжения (тока) той же частоты.

Трансформаторы бывают двух типов: понижающие напряжение, например, до 400 В и ниже и повышающие его до 3...500 кВ и выше. Различают одно-, трёх- и многофазные, двух-, трёх- и многообмоточные трансформаторы. Диапазон мощностей силовых масляных трансформаторов общего назначения от 10 кВ∙А до 630 МВ∙А на напряжения (первичные) 10(6), 35, 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, сухого исполнения – от единиц В∙А до 2500 кВ∙А на первичные напряжения 380, 500, 660, 10000 В и вторичные – 230 и 400 В. Силовые трансформаторы однофазные, мощностью 4 кВ∙А и ниже и трёхфазные - 5 кВ∙А и ниже относят к трансформаторам малой мощности. Такие трансформаторы широко применяются в преобразовательной, бытовой технике, радиоэлектронной  и электронно-вычислительной аппаратуре.

Наряду с силовыми в практической электротехнике широко используются измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Электромагнитная система однофазного двухобмоточного транс­форматора представлена на рис.3.1. Трансформатор содержит два основных элемента: замкнутый магнитопровод (сердечник) 1 и расположенные на нем две обмотки – первичную 2 с числом витков w₁, предназначенную для подключения к сети переменного тока, и вторичную 3 с числом витков w₂, к которой подсоединяют нагрузку (потребитель) с сопротивлением Z_н.



Рис.3.1. Однофазный трансформатор

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции. При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток I₁, а в магнитопроводе - переменный магнитный поток Ф_m. Поток Ф_m индуцирует в обеих обмотках переменные эдс е₁ и е₂, пропорциональные числу витков w₁ и w₂ соответствующих обмоток и частоте переменного напряжения f. Действующее значение первичной эдс самоиндукции и вторичной эдс взаимоиндукции:

Е₁ =4,44f w₁Ф_m; Е₂ =4,44f w₂Ф_m

Соотношение эдс первичной и вторичной обмоток зависит только от соотношения их чисел витков. При w₁>w₂ напряжение на нагрузке меньше напряжения сети (U₁) – трансформатор понижает напряжение (понижающий трансформатор), при w₁2 напряжение на нагрузке больше напряжения сети – трансформатор повышает напряжение (повышающий трансформатор).

Отношение эдс обмотки высшего напряжения к эдс обмотки низшего напряжения называют коэффициентом трансформации. Для понижающего трансформатора, который исследуется в работе,

k=E₁/E₂= w₁/ w₂

Различают следующие режимы работы трансформатора: холостой ход (хх) и рабочий режим. При холостом ходе вторичная обмотка отключена от нагрузки (Z_н=¥), ток во вторичной обмотке не протекает (I₂=0), а ток в первичной обмотке минимален I₁₀ – ток холостого хода. В рабочем режиме вторичная обмотка подключена к нагрузке Z_н, в ней протекает ток нагрузки I₂.

Рабочий процесс в трансформаторе описывается уравнениями эдс и токов для первичной (индекс 1) и вторичной (2) обмоток:



В уравнениях жирным шрифтом выделены векторные величины, верхний индекс (’) обозначает параметры вторичной обмотки, приведенные к первичной обмотке. Соотношение между приведенными параметрами вторичной обмотки и реальными параметрами зависят только от коэффициента трансформации:



; ; ;

Процессы в трансформаторе сложны, поэтому при анализе его работы в составе привода используют эквивалентную схему замещения (рис.3.2). Схема замещения удовлетворяет всем уравнениям токов и эдс.



Рис.3. 2. Схема замещения трансформатора.

Она представляет собой совокупность трех ветвей. Первичная ветвь содержит активное сопротивление R₁ и индуктивное сопротивление рассеяния X₁ и по ней течет ток I₁. Ветвь намагничивания имеет активное сопротивление R_m, эквивалентное потерям в магнитопроводе, и индуктивное сопротивление X_m, которое определяется потоком Ф_m, по этой ветви течет ток холостого хода I₁₀. Вторичная ветвь содержит активное R₂', индуктивное X₂' сопротивления, сопротивление нагрузки Z_н' и по ней протекает ток I₂'. При этом .

Для анализа работы трансформатора и расчета основных эксплу­атационных характеристик необходимо определить параметры схемы замещения. Для этого проводят на готовом трансформаторе два опыта: холостого хода и короткого замыкания.

При проведении опыта холостого хода (хх) размыкается вторичная обмотка, а на первичную обмотку подают номинальное напряжение U_1н. При этом ток в первичной обмотке (ток хх I₁₀) очень мал и составляет 3-10% от номинального тока I_1н. Электрические потери в первичной обмотке также малы и ими пренебрегают. Так как напряжение равно номинальному значению, то магнитный поток в сердечнике трансформатора и магнитные потери P_м в нем близки к номинальным значениям. Активная мощность, потребляемая из сети при холостом ходе P_o, равна номинальным магнитным потерям P_мн=P_o. Поскольку магнитные потери определяются уровнем магнитного потока, который не зависит от нагрузки, то магнитные потери (потери холостого хода) не зависят от нагрузки и являются постоянными.

Обычно R₁R_m, X₁X_m и по схеме замещения трансформатора для хх (рис.3.3) можно определить:

входное сопротивление Z_m=U_1н/I₁₀,

активное сопротивление, эквивалентное магнитным потерям P_м=P_o R_m=P_o/I₁₀²,

реактивное сопротивление ,

фазовый сдвиг между номинальным первичным напряжением U_1н и током холостого хода ,

коэффициент трансформации k=U_1н/U_2o,

где U_2o- номинальное напряжение на разомкнутой вторичной обмотке при U_1н.



Рис.3.3 Схема замещения для хх.

Опыт короткого замыкания (кз) проводят при напряжении U_k , которое не превосходит 15..20% от номинально­го значения, а вторичную обмотку замыкают. Напряжение U₁ устанавливают равным U_k (напряжение короткого замыкания), при котором ток в первичной обмотке равен номинальному I_1н. Поэтому при кз малы магнитный поток, магнитные потери и ток в намагничивающей ветви. В схеме замещения трансформатора (рис.3.4) намагничивающей ветвью пренебрегают, при этом I₂^’=I_1н.



Рис.3.4.Схема замещения трансформатора при кз.

Активная мощность P_k, которую при этом измеряют, практически равна номинальным электрическим потерям в обмотках трансформатора Рк= I_1н²(R₁+R₂^’). Параметры схемы замещения при коротком замыкании могут быть определены по формулам:

Z_k=U_k/I_1н; R_k=P_k/I_1н²=R₁+R₂^’ ; = X₁+X₂^’, U_k%=100×U_k/U_1н; R₁=R₂^’= R_k/2; X₁=X₂^’= X_k/2;

Векторные диаграммы, соответствующие режимам холостого хода и короткого замыкания, показаны на рис.3.5 и 3.6 соответственно.

Основные характеристики трансформатора, которые необходимо знать при его выборе и эксплуатации - внешняя и энергетические характеристики. Внешняя характеристика трансформатора (рис.3.7) определяет изменение напряжения на нагрузке (вторичной обмотке) U₂ от номинального U_2o (для хх) при изменении тока нагрузки I₂ при постоянном коэффициенте мощности нагрузки cosj₂.


Рис.3.5. Рис.3.6.

Изменение напряжения на нагрузке при этом связано с падением напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток:





Рис. 3.7 Внешняя характеристика трансформатора.

При передаче энергии из первичной обмотки во вторичную обмотку возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток, которые зависят от нагрузки (тока I₂)

Р_эл=I₁²R₁+ I₂²R₂

и магнитные потери стали магнитопровода Р_м.

Полные потери равны

Р=Р_эл+Р_м

Коэффициент полезного действия (кпд) трансформатора равен отношению активной полезной мощности, передаваемой в нагрузку Р₂, к потребляемой из сети активной мощности Р₁:

=Р₂/Р₁

При этом Р₂=Р₁-Р.

Энергетические характеристики определяют экономичность и нагрев трансформатора.

Внешняя и энергетические характеристики могут быть определены экспериментально методом непосредственной нагрузки для трансформаторов сравнительно небольшой мощности. Эти характеристики можно также оценить расчетным путем по паспортным данным трансформатора: номинальной мощности S_н=U_1нI_1н, номинальному напряжению U_1н, номинальному току I_1н и данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

Внешняя характеристика:

U₂=U_2o(1- U₂%/100), (1)

где DU₂%=b×U_k%×(cosj_к×cosj₂+sinj_к×sinj₂), (2)

b=I₁/I_1н=I₂/I_2н - коэффициент нагрузки, cosj₂ – коэффициент мощности нагрузки.

Изменение напряжения на нагрузке пропорционально b (току нагрузки I₂), зависит от характера нагрузки (cosj₂). При активной нагрузке cosj₂=1, при активно-индуктивной cosj₂<1, sinj₂>0, а при емкостной нагрузке cosj₂<1, sinj₂<0, т.е. второй член в выражении для DU₂% - отрицательный. Поэтому изменение напряжения на нагрузке при ее емкостном характере минимально.

Коэффициент полезного действия (кпд) трансформатора рассчитывается по потерям, которые были определены в опытах холостого хода P_o и короткого замыкания P_k :

h=b×S_н×cosj₂/(b×S_н×cosj₂+P_o+b²×P_k ) (3)

Задаваясь коэффициентом нагрузки b в диапазоне от холостого хода (b=0) до номинальной нагрузки (b=1), можно рассчитать зависимости DU₂%, U₂ и h (b).

3. Домашняя подготовка
3.1 Принцип действия, устройство, особенности конструкции, схема замещения трансформатора, векторная диаграмма, опыт­ное определение параметров трансформатора, внешняя характеристи­ка, зависимость коэффициента полезного действия от величины и характера нагрузки [3], с.39-60.

3.2 Запишите паспортные данные исследуемого трансформатора.

Табл. 3.1

U1н, В	f, Гц	I1н, А	Sн, ВА	U20, В
220	50	0,15	33	80

3.3 По заданной номинальной мощности, напряжению первичной и вторичной обмоток оцените ток в этих обмотках.

По результатам расчетов подберите приборы с необходимыми пределами измерения.

4. Задание к экспериментальной части работы
4.1 Для исследования собрать схему - рис.3.8. До включения схемы предъявить ее для проверки преподавателю или лаборанту.

4.2 Опыт холостого хода

1. Разомкнуть вторичную обмотку.

2. Установить на первичной обмотке номинальное напряжение U_1н.

3. Измерить ток I₁₀, мощность P_o в первичной обмотке и напряжение на вторичной обмотке U_2o при трех положениях переключателя K1, соответствую­щих разному числу витков вторичной обмотки. Данные занести в таблицу 3.2.

4. Отключить стенд.

Р ис.3.8.Схема испытаний трансформатора
5. Вычислить параметры и заполнить таблицу 3.2. Расчет I₁₀%=100×I₁₀/I_1н и параметров схемы замещения проводить только для одного положения переключателя К1.

Таблица 3.2

	Измерено				Вычислено
№	U1н, В	U20, В	Р0, Вт	I10, А	K	I10, %	Zm, Ом	Rm, Ом	Xm, Ом	cosj0
1
2
3

4.3 Режим нагрузки трансформатора

Опыты выполняются при одном положении переключателя К1 по указанию преподавателя при номинальном напряжении на первичной обмотке.

4.3.1 Активно-индуктивная нагрузка

1. Подключить на нагрузочные клеммы Е-Е одну, две или три последовательно включенные катушки индуктивности.

2. Включить стенд, установить на первичной обмотке номинальное напряжение.

3. Измерить I₁,P₁,U₂,I₂. Данные опытов занести в таблицу 3.3.

4. Отключить стенд, отсоединить от клемм Е-Е катушки индуктивности.

4.3.2 Емкостная нагрузка

1. Подключить на нагрузочные клеммы Е-Е магазин конденсаторов.

2. Включить стенд, установить на первичной обмотке номинальное напряжение.

3. Изменяя номинал конденсатора переключателями магазина конденсаторов добиться значения тока во вторичной цепи, равного току при активно-индуктивной нагрузке из предыдущего опыта.

4. Измерить I₁,P₁,U₂,I₂. Данные опытов занести в таблицу 3.3. Сравните значения напряжения на вторичной обмотке с предыдущим опытом. Почему напряжение увеличилось?

5. Отключить стенд, отсоединить от клемм Е-Е магазин конденсаторов.

4.3.3 Активная нагрузка

1. Подключить на нагрузочные клеммы Е-Е выводы двух последовательно включенных переменных резисторов. Движки переменных резисторов необходимо выставить в правое крайнее положе­ние.

2. Включить стенд, установить на первичной обмотке номинальное напряжение.

3. Установить движок резистора в положение, при котором ток в первичной обмотке номинальный. Измерить при этом мощность первичной обмотки P₁, ток во вторичной обмотке I₂ и напряжение на нагрузке U₂.

4. Увеличивая сопротивление резисто­ра (при этом ток уменьшается), снять еще 5...6 показаний приборов при I₁1н и занести в таблицу 3.2.

5. Перед опытом короткого замыкания уменьшить первич­ное напряжение до нуля и отключить стенд, отсоединить от клемм Е-Е резистор.

Таблица 3.3

Измерено

Вычислено

№

нагрузка

U1 В

U2 В

Р1 Вт

I1 А

I2 А

DU2 В

cosj1

Р2 Вт

DР Вт

Рэл Вт

h %

1

L-R

-

-

-

-

2

C

-

-

-

-

3

R

.

R

8

R

В таблице DU₂= U₂₀- U₂; ;

для активной нагрузки: Р₂=U₂I₂ ; DР=Р₁-Р₂ ; Р_эл=DР-Р₀, h=100×Р₂/Р₁

Значения Р_о и U₂₀ из опыта холостого хода (п.6.2).

4.4 Опыт короткого замыкания

Опыт выполняется при том же положении переключатель К1, что и п. 4.3.

1. Закоротить выход вторичной обмотки – клеммы а-х.

2. Включить стенд. Осторожно увеличивая первичное напряжение автотрансформатором установить номинальный I_1н ток в первичной обмотке.

3. Измерить при этом U₁=U_k, мощность P_k, потребляемую трансформатором при коротком замыкании. Данные измерений занести в таблицу 3.4.

4. Отключить стенд.

Таблица 3.4

Измерено			Вычислено
I1н, А	Uk, В	Рк, Вт	Uk%	Zk Ом	Rk Ом	Xk Ом	R1 Ом	X1 Ом	R2 Ом	X2 Ом	cosjk

Вычислить параметры и заполнить правую часть таблицы 3.4.

5. Обработка результатов эксперимен­та

Отчет по работе должен содержать:

5.1 Рис.3.8, заполненные таблицы 3.2, 3.3, 3.4, номинальные данные трансформатора.

5.2 График внешней характеристики U₂ (I₂) и зависимость DU₂(I₂) для активной нагрузки. Нанести на эти зависимости точки, соответствующие индуктивной и емкостной нагрузкам.

5.3 Для активной нагрузки построить зависимости Р₁, Р₂, кпд, суммарных потерь DР, потерь в обмотках Р_эл и магнитных потерь Р₀ от I₂.

5.4 Векторную диаграмму трансформатора дляхолостого хода и короткого замыкания по измеренным данным.

5.5.По измеренным в опытах величинам P_o, P_к, U_к рассчитать по (3.1)..(3.3) для активной нагрузки зависимости кпд и изменения вторичного напряжения от коэффициента нагрузки, построить графики этих зависимостей и сравнить с результатами п.6.2. и п.6.3.

6.Вопросы при защите лабораторной работы.

1. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Почему трансформаторы не работают от сети постоянного тока? Для чего магнитопровод трансформатора выполняется из электротехнической стали, а не из обычной, и собирается из отдельных тонких изолированных друг от друга листов?

2. Почему основной магнитный поток трансформатора не за­висит от нагрузки? Изменится ли основной магнитный поток и ток холостого хода, если трансформатор, рассчитанный на частоту 50 Гц, подключить к сети с частотой 60 Гц при неизменном уровне первичного напряжения?

3. Коэффициент трансформации. Как определяли коэффициент трансформации? Соотношение между напряжениями и токами обмоток для повышающего и понижающего трансформаторов. Почему различны по величине площади поперечного сечения обмоточных проводов первичной и вторичной обмоток? Можно ли один и тот же трансформатор использовать как повышающий и понижающий?

4. Схема замещения трансформатора. Уравнения токов и напряжений для трансформатора. Почему с увеличением тока нагрузки увеличивается ток первичной обмотки? Пояснить по опытным зависимостям. Соотношение между реальными и приведенными значениями параметров вторичной обмотки.

5. Паспортные данные трансформатора. Какие параметры трансформатора измеряются и рассчитываются в опытах холостого хода и короткого замыкания. Условия проведения этих опытов.

6. Внешняя характеристика трансформатора. В чем состоит практическое значение этой характеристики трансформатора для потребителей, подключенных к нему? Почему изменяется напряжение на нагрузке при изменении тока нагрузки (пояснить, используя опытные данные)? Как зависит изменение напряжения трансформатора от напряжения короткого замыкания.

7. Почему потери энергии в сердечнике трансформатора называют потерями холостого хода, а электрические потери в обмотках - потерями короткого замыкания? Постоянные и переменные потери, физическая сущность. Опытное определение

8. Как определить кпд трансформатора по результатам опытов короткого замыкания и холостого хода? Условие получения максимального кпд. Чему равен кпд при холостом ходе и коротком замыкании?

9. Зависимость кпд и потерь от нагрузки (пояснить, используя опытные данные).

10. Порядок построения векторных диаграмм для режимов холостого хода и короткого замыкания трансформатора (пояснить, используя опытные данные).

11. Условия проведения опыта холостого хода. Какие величины и в какой последовательности Вы измеряли в опыте холостого хода?

12. Условия проведения опыта короткого замыкания. Какие величины и в какой последовательности Вы измеряли в опыте короткого замыкания?

13. Что такое внешняя характеристика трансформатора? Последовательность Ваших действий при снятии внешней характеристики.

14. Какие энергетические характеристики трансформатора Вы исследовали. Как опытным путем определить электрические потери в обмотках и потери в магнитной системе трансфор­матора?

15. Потребляемая и полезная мощность трансформатора. Коэффициент полезного действия трансформатора, как его определить по результатам опытов.