Задание 5

Проанализировать все функциональные зависимости, представленные графически и подготовить их объяснение.

Форма отчета

Отчет должен содержать:

1. Электрическую принципиальную схему установки.

2. Экспериментальные и расчетные величины, предусмотренные заданиями.

3. На отдельном листе зависимости по заданию 4.

4. Векторную диаграмму (задание 3).

5. Ответы на контрольные вопросы (по указанию преподавателя).

Отчет следует снабдить титульным листом и скрепить.

Контрольные вопросы

1. В каком отношении находится Х_L и Хс при резонансе токов?

2. При каком значении емкости С наблюдается резонанс токов?

3. Как влияет изменение величины емкости с не емкостное сопротивление Хс?

4. Как будут развиваться процессы в схеме, если в момент времени t=0, когда Uс = Uсm cosωt=Ucm отключить питание?

5. Вопрос по п.4. При условии r=0 и при отсутствии миллиамперметров.

6. Составьте уравнение по 1-му и 2-му законам Кирхгофа для узлов и контуров, указанных преподавателем.

7. Как влияет сопротивление r на значение тока I₁?

8. Объясните значение маркировочных знаков на шкалах измерительных приборов

9. Как измениться режим работы схемы, если изменить частоту питающего напряжения?

10. Как измениться режим работы схемы, если в нее включить средства измерений?

11. Как оценить достоверность результатов?

12. Поясните принцип интервала экстраполяции при построении графиков по заданию 4.

13. В чем заключается преимущества расчета электрических цепей в комплексной форме?

14. Для чего строят векторные диаграммы?

15. Как по векторной диаграмме определить опережающий вектор?

16. Как по векторной диаграмме определить характер нагрузки?

Лабораторная работа №3 исследование однофазного трансформатора

Цель работы: Ознакомиться с конструкцией трансформатора и освоить навыки экспериментального определения его параметров в различных режимах работы.

Оборудование: 1) источник переменного тока регулируемого

напряжением 0-220 В;

2) однофазный трансформатор;

3) вольтметры: Э30,0-250 В (2шт);

4) амперметры: Э378, 0-1 А; Э30,0-10А;

5) миллиамперметр М362, 0-500 мА;

6) ваттметр АСТД 750 Вт;

7) активная нагрузка;

8) соединительные провода.

Теоретическая часть

Трансформатором называется электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования входного напряжения, изменяющегося

во времени в ему подобное с некоторым коэффициентом подобия-коэффициентом трансформации.

Трансформатор имеет замкнутый магнитопровод (сердечник), на котором размещены обмотки из провода с изоляцией.

Если к первичной обмотке трансформатора подвести напряжение

U _l=U _lm sint, то в ней возникает ток i₁ и возбудится переменное магнитное поле. Силовые линии магнитного поля замыкаются, в основном, по сердечнику. Магнитный поток, возбужденный током i₁, индуцирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e₁, а во вторичной обмотке – ЭДС взаимоиндукции е₂. Если вторичная обмотка замкнута на нагрузку, то в ней возникает ток i₂. Вторичная обмотка создает свое магнитное поле, которое взаимодействует с полем первичной обмотки. В магнитопроводе возбуждается переменный поток Ф(t), созданный намагничивающей силой обеих обмоток.

Преобразование энергии сопровождается выделением тепла в обмотках и сердечнике. Потери энергии в обмотках обусловлены их активным сопротивлением и пропорциональны квадрату тока. Потери энергии в сердечнике вызваны двумя причинами:

- несовершенством материала сердечника, т.е. наличием гистерезиса, поэтому энергия расходуется на перемагничивание;

- наличие вихревых токов.

Исследование электротехнических устройств в статическом режиме проводят, измеряя действующие значения токов и напряжений.

Исследование трансформаторов, как правило, начинают с опыта холостого хода. Холостым ходом называют такой режим работы трансформатора, когда к первичной обмотке подведено номинальное напряжение U₁, а вторичная обмотка разомкнута. В этом случае по первичной обмотке протекает ток холостого хода I₁, который создает падение напряжений в ней Z₁I₁, где Z – полное сопротивление первичной обмотки. Так как ток холостого хода составляет несколько процентов от номинального (3-10%), то величиной Z₁I₁ пренебрегают и считают U₁  E₁; вторичный ток I₂=0, поэтому U₂ =E₂.

Следовательно, при холостом ходе напряжения можно практически считать равными соответствующим ЭДС. На основании их отношения можно определить коэффициент трансформации:

,

где W₁ – число витков первичной обмотки;

W₂ – число витков вторичной обмотки.

Мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, затрачивается на потери в меди одной лишь первичной обмотки. Потери в меди обмотки полностью загруженного трансформатора составляют от 0,25 до 2 %, а при холостом ходе вследствие относительно малой величины I₁ они ничтожны по сравнению с потерями в стали (сердечнике).

Следовательно, вся мощность холостого хода трансформатора практически затрачивается лишь на потери в стали (P_x = P_o). На этом основании опыт холостого хода служит также для определения потерь в стали трансформатора.

Опыт холостого хода трансформатора дает возможность определить:

1. коэффициент мощности cos₀ = ;

2. полное сопротивление Z₀ = ;

3. активное сопротивление r₀ = или r₀ = zcos₀;

4. индуктивное сопротивление X_L = или X_L =z₀cos₀.

Для проведения опыта короткого замыкания необходимо вторичную обмотку трансформатора замкнуть накоротко, а к первичной обмотке трансформатора подвести такое минимальное напряжение (3-10% от номинального), при котором токи будут номинальными.

Напряжение, при котором токи в обмотках короткозамкнутого трансформатора равны номинальным называется напряжением короткого замыкания и выражается в % от U₁.

Магнитный поток в сердечнике пропорционален ЭДС, т.е. Е₂, а Е₂ при коротком замыкании равна падению напряжения во вторичной обмотке, т.е. Е₂ = Z₂I₂. Поэтому в опыте короткого замыкания Е_2К составляет лишь несколько процентов от Е₂ (2-5%), следовательно, магнитный поток в сердечнике резко уменьшается.

В опыте короткого замыкания потери в обмотках становятся незначительными и ими можно пренебречь. Поэтому можно считать, что вся мощность при коротком замыкании затрачивается на электрические потери в обмотках.

P_1K = .

Пренебрегая намагничивающим током из-за малой величины, имеем

Отсюда активное сопротивление короткого замыкания трансформатора

.

Значение индуктивного сопротивления короткого замыкания находится из опыта

.

Полное сопротивление короткого замыкания .

Номинальное напряжение короткого замыкания в процентах от первичного напряжения

Коэффициент мощности в опыте короткого замыкания cos_K = .

Основной режим трансформатора – это нагрузочный режим. В рабочих условиях трансформатора первичное напряжение практически не зависит от нагрузки, т.е. U₁=const, следовательно, и магнитный поток Ф=const. Изменение тока нагрузки I₂ от нуля до номинального значения приводит к изменению тока I₁ в первичной обмотке, но магнитный поток в сердечнике при этом остается практически неизменным.

Вторичное напряжение U₂ при нагрузке трансформатора отличается от вторичного напряжения U₂ при холостом ходе. С ростом нагрузки трансформатора увеличивается падение напряжения на его вторичной обмотки. Величина изменения вторичного напряжения трансформатора при переходе от холостого хода до номинальной нагрузки

и называется процентным изменением вторичного напряжения трансформатора. Зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки U₂=f(I₂) называется внешней характеристикой трансформатора. КПД трансформатора определяется по формуле

,

где P₂=U₂I₂ cos₂ – полезная нагрузка или

Здесь P₀ при U_1H; P_1K соответствует I₂ = I_2H.