21) Практическая работа №5. Занятие Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
Практическое занятие № 5. Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Цель занятия: изучить устройство трансформатора и принцип действия; выполнить опыты холостого хода и короткого замыкания; определить параметры схемы замещения трансформатора; исследовать работу трансформатора при нагрузке, построить характеристики трансформатора. Задачи: сформировать компетенции ПК 2.2, ПК 2.3, ПК 2.4. Время на выполнение работы: 4 академических часа. Теоретический материал: Трансформатором называется электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте. Основными частями трансформатора являются замкнутый ферромагнитный сердечник и две электрически не связанные между собой обмотки. На одну из обмоток трансформатора подаётся напряжение от источника электрической энергии - эта обмотка называется первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключаются приёмники. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный магнитный поток, возбуждаемый в сердечнике трансформатора, наводит в обеих обмотках электродвижущие силы, действующие значения которых равны  где Фm - амплитуда магнитного потока; f - частота переменного тока; W1, W2 - соответственно числа витков первичной и вторичной обмоток. Трансформаторы с соотношением ЭДС, первичной и вторичной обмоток Е1 > Е2 называют понижающими, с Е1< Е2 – повышающими. Отношение ЭДС обмоток трансформатора называется коэффициентом трансформации, который определяется как:  В режиме холостого хода E2=U2Х, E1≈U1Х, поэтому коэффициент трансформации можно выразить через отношение напряжений:  При анализе режимов работы трансформатора цепи первичной и вторичной обмоток могут быть представлены схемами замещения - Т-образной или Г-образной. На рис. 5.1 показана Г-образная схема замещения.  Рис. 5.1. Параметры схемы замещения:  - соответственно активные и индуктивные сопротивления рассеяния первичной и приведённой вторичной обмоток. rm, xm- активное и индуктивное сопротивления ветви намагничивания, зависящие от магнитного потока сердечника.Параметры схем замещения могут быть определены по данным опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Ход работы: 1. Перейти на сайт https://falstad.com/circuit 2. В верхней панели окна браузера выполнить команду: Схемы – Другие пассивные схемы – Трансформаторы – Понижающий трансформатор. В рабочем окне появится электрическая цепь (рис. 5.2).  Рис. 5.2. 3. Подготовить электрическую цепь к выполнению опытов. Для этого выполнить следующее: - Нажать дважды левой кнопкой мыши (ЛКМ) на источник переменного напряжения (рис. 5.3). Выставить свойства источника так, как показано на рисунке 5.4.  Рис. 5.3  Рис. 5.4 - Удалить резистор из цепи первичной обмотки трансформатора. Для этого нажать на резистор ЛКП и нажать кнопку Delete на клавиатуре. Полученный разрыв электрической цепи замкнуть амперметром, выбрав команду Рисовать – Выходы и инф. элементы – добавить амперметр и соединив концы разрыва так, как показано на рисунке 5.5. Амперметр будет показывать переменные величины (действующее значение тока), поэтому необходимо нажать на него дважды ЛКМ и в выпадающем списке Значение выбрать Среднеквадратичный ток.  Рис. 5.5 - Добавить вольтметр для измерения напряжения на первичной обмотке. Для этого выбрать меню Рисовать – Выходы и инф. элементы – Добавить вольтметр и соединить выводы вторичной обмотки трансформатора так, как показано на рис. 5.6. Нажать на вольтметр дважды ЛКМ и выбрать в выпадающем списке Значение пункт Среднеквадратичный ток.  Рис. 5.6 - Аналогично добавить амперметр и вольтметр во вторичную обмотку трансформатора так, как показано на рисунке 5.7.  Рис. 5.7 4. Осуществить опыт холостого хода. Цепь вторичной обмотки разомкнуть (например, удалить один из проводников так, как показано на рисунке 5.8). Показания приборов и результаты расчетов записать в таблицу 5.1.  Рис. 5.8. Примечания: - значение вольтметра во вторичной обмотке может колебаться. Записать в таблицу среднее показание. Таблица 5.1. - Опыт холостого хода трансформатора  Значения U1х=U1н, U2х, I1х снять по показаниям виртуальных приборов. Значение потерь холостого хода Pхх определить следующим образом. В нижней части рабочего окна имеются осциллографы. Нажать ЛКМ на значок шестеренки в левом нижнем углу. В разделе Параметры каналов установить галочку Показать потребляемую мощность (рис. 5.9).  Рис. 5.9 В результате в левом нижнем углу будет указано максимальное значение потребляемой мощности (рис. 5.10).  Рис. 5.10 Значение потерь холостого хода Pхх определить по формуле:  , где Pmax – максимальное значение потребляемой мощности.По показаниям приборов рассчитать коэффициент трансформации и коэффициент мощности:  Определить параметры ветви намагничивания Г - образной схемы замещения:  где Zm = rm + jxm – полное комплексное сопротивление ветви намагничивания. 5. Осуществить опыт короткого замыкания. Цепь вторичной обмотки трансформатора замкнуть накоротко так, как показано на рисунке 5.11. После изменения схемы нажать кнопку Reset в верхнем правом углу.  Рис. 5.11 Результаты измерений и расчетов внести в таблицу 5.2. Таблица 5.2. - Опыт короткого замыкания трансформатора  Значения U1к=U1н, U2к, I1к, I2к снять по показаниям виртуальных приборов. Значение мощности короткого замыкания Pк определить по формуле  . Определить коэффициент мощности трансформатора при коротком замыкании: где Рk – потери мощности в обмотках трансформатора при номинальных токах. Определить параметры ветви Г - образной схемы замещения:  6. Исследовать работу трансформатора при нагрузке. Для этого в цепь вторичной нагрузки добавить резистор так (Рисовать – Добавить резистор), как показано на рисунке 5.12. Нажать кнопку Reset.  Рис. 5.12 Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 5.3 (строка №1). Уменьшить сопротивление резистора до 800 Ом (нажать на него ЛКМ). Повторить измерения и занести результаты в таблицу 5.3 (строка №2). Выполнить те же самые действия для сопротивления резистора 600 Ом, 400 Ом, 200 Ом. Таблица 5.3. - Работа трансформатора при нагрузке  Значение P1 определять по формуле:  , где  – значение напряжения холостого хода (таблица 5.1).Полезную мощность P2 рассчитывают по формуле P2 = U2I2, так как  вследствие того, что нагрузка на выходе трансформатора носит чисто активный характер. Коэффициент мощности определяется по формуле: Коэффициент полезного действия можно определить по выражению:  7. По полученным данным и данным опыта холостого хода построить графики зависимости:  Примеры графиков приведены на рисунке 5.13.
8. Сделать вывод по проделанной работе. 9. Ответить на контрольные вопросы. Контрольные вопросы: 1. Объяснить вид внешней характеристики. 2. Чем отличается режим короткого замыкания и холостого хода трансформатора? 3. Как определяют потери в меди и потери в стали трансформатора? 4. Можно ли использовать трансформатор на постоянном напряжении? Ответ объяснить. Оформление результатов работы Оформить отчёт о проделанной работе, который должен содержать исчерпывающие текстовые ответы на поставленные вопросы с решениями, пояснениями, результатами решения. Ответить на контрольные вопросы. Сформулировать выводы по результатам работы. Сдать и защитить работу. Содержание отчета 1. Наименование работы. 2. Цель работы. 3. Электрическая схема. 4. Таблица с результатами измерений и вычислений. 5. Расчеты. 6. Графики зависимости КПД, коэффициента мощности, напряжения на вторичной обмотки и тока первичной обмотки от тока вторичной обмотки. 6. Вывод по результатам расчетов. 7. Ответы на контрольные вопросы. Список рекомендуемой литературы Основные источники: 1. Немцов М.В. Электротехника и электроника. – М. : ИЦ «Академия», 2020; 2. Фуфаева Л.И. Сборник практических задач по электротехнике. – М. : ИЦ «Академия», 2020. | ||||||
