21) Практическая работа №5. Занятие Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора
![]()
|
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: ![]() 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: ![]() 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 ![]() ![]() 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: ![]() ![]() Полезную мощность P2 рассчитывают по формуле P2 = U2I2, так как ![]() ![]() 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. |