el_mash_12
.pdfВ, а измерение напряжения между нулевыми точками – электронным вольтметром (В7-38)
Вариант изменения нагрузки при различных режимах работы цепи задается преподавателем в соответствии с табл. 3.4.
|
|
|
|
Таблица 3.4 |
|
|
|
|
|
|
|
Режимы работы |
|
Варианты |
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Разрыв в фазе |
a |
b |
c |
|
a |
|
|
|
|
|
|
Короткое замыкание в фазе |
a |
b |
c |
|
b |
|
|
|
|
|
|
Несимметричная активная |
a |
b |
c |
|
c |
нагрузка в фазе |
|
||||
|
|
|
|
|
|
Несимметричная активно- |
«a» R |
«a» R-L |
«a» R-C |
|
«a» R |
«b» R-L |
«b» R |
«b» R-L |
|
«b» R-C |
|
реактивная нагрузка |
|
||||
«c» R-C |
«c» R-C |
«c» R |
|
«c» R-L |
|
|
|
||||
4. Контрольные вопросы
4.1.Каким преимуществом обладают трехфазные цепи?
4.2.Назначение нейтрального провода. Почему в нейтральный провод нельзя ставить плавкие предохранители и выключатели?
4.3.Каковы соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами при различных режимах работы цепи?
4.4.Каково условие симметрии трехфазного потребителя?
4.5.К чему приведет обрыв нейтрального провода при несимметричной нагрузке?
40
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
1. Цель и задачи работы
Цель: изучение конструкции, принципа действия и режимов работы. Опытное определение основных параметров и характеристик трансформатора и построение его Т-образной схемы замещения.
Задачи: в результате выполнения работы студенты должны:
-знать принцип работы, технические характеристики, конструктивные особенности, методы расчета трансформаторов;
-уметь рассчитывать основные параметры трансформаторов, а также производить измерения электрических величин;
-иметь навыки включения трансформаторов, управления ими и контроля их эффективной и безопасной работы, а также оценки их технического состояния.
2. Краткие теоретические сведения
Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования посредством магнитного поля переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.
Основные части трансформатора (рис. 4.1): сердечник (магнитопровод) изготовливается из ферромагнитного материала (например, листовой электротехнической стали) и две обмотки – первичная и вторичная, связанные индуктивно при помощи магнитного потока.
|
i1 |
|
i2 |
|
|
|
|
~u1 |
w1 |
w2 |
Zн |
~u2 |
|||
|
lср |
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.1 |
|
41
Обмотки в трансформаторе электрически разделены, причем обмотка, подключаемая к сети, называется первичной, а обмотка, к которой подключен приемник (нагрузка), – вторичной.
Все величины, относящиеся к этим обмоткам (токи, напряжения, ЭДС и т.п.), обозначаются соответственно индексами 1 (I1, U1, E1) и 2 (I2, U2, E2) и называются первичными и вторичными.
Под действием переменного напряжения u1 в первичной обмотке протекает переменный ток i1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь по магнитопроводу, этот поток пронизывает обмотки трансформатора и наводит в них ЭДС:
в первичной обмотке
e = −w |
dΦ |
(4.1) |
|
|
|||
1 |
1 dt |
|
|
и во вторичной обмотке
e |
= −w |
dΦ |
. |
(4.2) |
|
||||
2 |
2 |
dt |
|
|
Со вторичной обмотки снимается напряжение u2, которое подается на приемник электрической энергии.
Если магнитный поток трансформатора является синусоидальной функцией времени
Φ = Φmsin ωt, |
(4.3) |
то после подстановки его выражения в уравнения (4.1) и (4.2) и дифференцирования можно получить выражения для действующих значений ЭДС первичной и вторичной обмоток
E1 = 4,44w1 f Φm ; |
E2 = 4,44w2 f Φm , |
(4.4) |
где f – частота питающей сети, Гц; |
|
|
w1, w2 – числа витков соответствующих обмоток трансформатора. |
||
Величину k – отношение |
ЭДС первичной |
обмотки |
трансформатора к ЭДС вторичной обмотки – |
называют |
|
коэффициентом трансформации: |
|
|
k = E1 E2
2.1. Опыт холостого хода трансформатора
42
В опыте холостого хода (ХХ) первичная обмотка трансформатора присоединяется к источнику переменного тока с номинальным напряжением U1н, а вторичная цепь трансформатора размыкается, т.е. I2 = 0. Под действием приложенного напряжения U1 в первичной цепи протекает ток I10 , называемый током холостого хода.
Уравнения электрического состояния для первичной и вторичной цепей трансформатора на основании второго закона Кирхгофа в комплексной форме записи будут иметь вид
|
& |
& |
& |
& |
(4.5) |
|
U1н = −E1 + R1I10 |
+ jX1I10 ; |
|||
|
& |
& |
|
|
(4.6) |
|
U 20 = E2 , |
|
|||
где R1 – |
активное сопротивление первичной обмотки, Ом; |
|
|||
Х1 – |
индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки, |
||||
|
Ом. |
|
|
|
|
Ток холостого хода равен |
= I& |
+ I& , |
|
|
|
|
I& |
|
(4.7) |
||
|
10 |
a |
µ |
|
|
где I&a - активная составляющая тока холостого хода;
I&μ - реактивная составляющая тока холостого хода, называемая намагничивающим током.
Обычно Ia 
I10 = 0,1 (поэтому угол магнитного запаздывания δ составляет несколько градусов и ϕ0 близок к 90°), I10 выражают в процентах по отношению к номинальному первичному току I1н при номинальной нагрузке:
i0 = I10 100% .
I1н
Векторная диаграмма трансформатора в режиме ХХ подобна векторной диаграмме катушки с ферромагнитным сердечником (рис. 4.2).
43
+j & |
|
|
|
U1 |
|
|
|
ϕ10 |
& |
||
|
|
I10 |
|
I&a |
δ |
Ф +1 |
|
0 |
|||
|
|
||
& |
& |
I&μ |
|
U20 |
= Е2 |
|
|
Рис. 4.2
Величина намагничивающего тока
Iµ = I10 × cosδ .
Угол магнитных потерь δ
δ = 900 − ϕ10 .
Ток I10 очень мал и обычно не превышает нескольких процентов от номинального первичного тока. Поэтому уравнение (4.5) можно записать
& |
& |
(4.8) |
U1н ≈ −E1. |
||
Отношение первичного напряжения ко вторичному на холостом ходу с наибольшей точностью равно коэффициенту трансформации
k = |
E1 |
= |
w1 |
≈ |
U1н |
. |
(4.9) |
E2 |
w2 |
|
|||||
|
|
U20 |
|
||||
Мощность Р10, потребляемая трансформатором в режиме ХХ, в основном равна магнитным потерям мощности (потери мощности в стали сердечника), т.е. Р0 ≈ Рст.
Коэффициент мощности в режиме ХХ определяется из зависимости:
P |
= U |
I |
cos φ . |
10 |
|
1н 10 |
10 |
2.2. Нагрузочный режим трансформатора
Под нагрузочным режимом трансформатора понимают такой режим работы, когда его вторичная обмотка замкнута на нагрузку Zн и по ней протекает ток I2.
Уравнения электрического состояния для первичной и вторичной цепей нагруженного трансформатора на основании второго закона Кирхгофа соответственно будут иметь вид
44
& |
& |
& |
& |
|
(4.10) |
U1 |
= −E1 + R1I1 |
+ jX1I1; |
|||
& |
& |
& |
& |
, |
(4.11) |
U2 |
= E2 |
− R2I2 |
− jX 2 I2 |
||
где R2 – активное сопротивление вторичной обмотки Ом;
Х2 – индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки, Ом. Из выражения (4.8) с учетом (4.4) следует, что при постоянном
значении действующего напряжения U1 амплитуда потока Фm в магнитопроводе сохраняется постоянной
Фm = |
|
U1 |
. |
(4.12) |
|
4,44 fw1 |
|||||
|
|
|
|||
Поэтому МДС первичной |
обмотки |
трансформатора при |
|||
холостом ходе w1I0 должна быть равна сумме МДС обеих обмоток при нагрузке
|
|
|
|
|
|
w I& |
= w I& |
+ w I& . |
(4.13) |
|
|
|
|
|
|
|
1 10 |
1 1 |
2 |
2 |
|
|
|
После преобразования (1.13) получим |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
I&1 = I&10 + (−I&2′ ), |
|
(4.14) |
||
|
&′ |
= |
w2 |
& |
- называют током вторичной обмотки, приведенным к |
|||||
где |
I |
2 |
w1 |
I2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
числу витков первичной обмотки, А. |
|
|||
|
|
Ток |
первичной обмотки |
имеет две |
составляющие: |
|||||
намагничивающую и нагрузочную. Составляющая тока первичной обмотки I&10 , создающая магнитный поток в трансформаторе при
холостом ходе, постоянна. Другая составляющая тока I&′ зависит от
2
нагрузки. Следовательно, зависит от нагрузки и ток I&1.
Построение векторных диаграмм токов и напряжений производится с учетом характера нагрузки. При активной нагрузке
трансформатора угол между током |
& |
и |
& |
равен: |
||||
I2 |
E2 |
|||||||
ψ2 = arctg |
|
X 2 |
, |
|
|
|
cos φ2 = 1. |
|
R2 |
+ Rн |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
Коэффициент нагрузки: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β = |
I2 |
= |
I1 |
. |
|
||
|
|
|
|
|||||
I2н I1н
Изменение напряжения U2 в режиме нагрузки (в %): u2 = βuкcos (φ2 − φк ), % ,
45
где uк = U1к ×100% .
U1н
Основные свойства трансформатора определяются его рабочими характеристиками, представляющими зависимость первичного тока I1, выходного напряжения U2, КПД и коэффициента мощности cos j2 от тока нагрузки. Эти характеристики строятся по опытным данным или расчетным путем на основе схемы замещения трансформатора (рис. 4.3). Параметры схемы замещения определяют из опытов холостого хода и короткого замыкания.
|
R1 |
jX1 |
jX′2 |
|
R′ |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
I&1 |
I&10 |
jX0 |
I&2′ |
|
′ |
|
& |
|
& |
|
& |
& |
Z |
|
U |
1 |
Е |
|
Е′ |
U ′ |
н |
|
|
1 |
R0 |
2 |
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.3
На схеме замещения параметры вторичной цепи «приводятся» к первичной в соответствии с выражениями:
′ |
′ |
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|||||
E2 = kE2 ; U2 = kU2 ; |
Z¢н = k |
Zн; |
R¢2 = k R2 |
; X¢2 = k |
X2. |
|||||||||||
Параметры намагничивающей ветви схемы замещения R0 и X0 |
||||||||||||||||
определяются по результатам опыта ХХ: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
P0 |
|
|
|
|
U1н |
|
|
|
|
|
|
|||
|
R0 = |
, |
Z |
0 |
= |
, |
X |
0 |
= |
Z 2 |
− R2 |
; |
|
|||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
I102 |
|
|
I10 |
|
0 |
0 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2.3. Опыт короткого замыкания
Различают опыт короткого замыкания и режим аварийного короткого замыкания трансформатора.
Под опытом короткого замыкания (КЗ) трансформатора понимается такой режим, при котором его вторичная обмотка при испытании замкнута накоротко, а к первичной обмотке подводится пониженное напряжение, называемое напряжением короткого замыкания U1к, при этом в обмотках протекают номинальные токи I1н и I2н.
46
Опыт короткого замыкания проводится для определения
напряжения uк(%) |
= |
(U1к / U1н) ·100%, |
электрических потерь в |
|||||||||||||||||
обмотках |
Pобм, параметров схемы замещения |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
R = |
Pк |
|
|
|
|
|
|
|
|
U1к |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
, |
|
|
|
|
Z |
к |
= |
, |
X |
к |
= |
Z 2 |
− R2 |
, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
к |
I12н |
|
|
|
|
|
|
|
Iн |
|
|
|
к |
к |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
R1 |
′ |
= |
Rк |
|
|
, |
|
|
|
|
|
′ |
= |
X к |
, |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
= R2 |
2 |
|
|
|
|
X1 = X 2 |
2 |
|
|
|||||||||
так как |
|
|
|
|
′ |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′ |
|
|
||
|
Rк = R1 + R2 |
|
|
|
X к = X1 + X 2 . |
|
||||||||||||||
Мощность, измеряемая в первичной цепи в режиме короткого замыкания, равна приближенно номинальным электрическим потерям мощности на нагрев обмоток трансформатора
Pк = Pобм .
Так как U1к мало, следовательно, мал и рабочий магнитный поток, пропорциональный этому напряжению, Фm = U1к/(4,44fw1), поэтому потерями мощности в стали Рст (потери мощности пропорциональны величине магнитного потока) можно пренебречь.
3.Экспериментальная часть
3.1.Рабочее задание
3.1.1. Исследовать работу однофазного трансформатора в нагрузочном режиме.
3.1.2. На основании полученных экспериментальных данных определить основные параметры трансформатора и построить его внешнюю характеристику U2 = f (I2 ) (при U1н = 140 B и cos ϕ2 = 1), а
также зависимости P = f (I |
2 |
), |
cosϕ = f (I |
2 |
), |
η = f (I |
2 |
), |
u |
= f (I |
2 |
). |
1 |
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
3.1.3.Провести опыты холостого хода и короткого замыкания исследуемого однофазного трансформатора.
3.1.4.Построить векторную диаграмму токов и напряжений для режима холостого хода трансформатора.
3.1.5.Построить векторную диаграмму токов и напряжений нагруженного трансформатора для режима номинальной нагрузки.
3.1.6.Используя экспериментальные данные, рассчитать параметры и начертить Т-образную схему замещения трансформатора.
3.1.7.Сделать выводы по проделанной работе.
47
3.2. Описание установки
Работа выполняется на универсальном лабораторном стенде. В качестве активной нагрузки трансформатора используется переменное сопротивление (30 Ом, 50 Вт). В качестве емкостной нагрузки используется блок переменных конденсаторов. Измерение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток осуществляется соответственно вольтметрами с пределами измерения 0 ÷ 250 В и 0 ÷ 30 В. Измерение токов в первичной и вторичной цепях производится амперметрами с пределами 0 ÷ 500 мА, 0 ÷ 2,0 А, соответственно. Измерение мощности в первичной обмотке осуществляется ваттметром.
3.3. Методические указания к выполнению работы
3.3.1.Записать в отчет номинальные данные исследуемого трансформатора и технические характеристики электроизмерительных приборов.
3.3.2.Нагрузочный режим трансформатора
Собрать электрическую цепь, схема которой изображена на рис. 4.4. Ключ SA1 разомкнут.
Автотрансформатор |
|
|
|
|
|
A |
|
pW |
|
|
|
|
U* |
pА1 |
Т |
pА2 |
|
|
|
I* |
A |
A |
|
|
|
W |
|
||
pV1 |
|
U |
I |
pV2 |
Rн |
V |
|
||||
|
|
|
V |
||
B |
|
|
|
|
SA1 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.4
С помощью автотрансформатора установить первичное напряжение равное номинальному U1н=140 В.
Замкнуть ключ SA1. Получить экспериментальные данные, плавно изменяя при помощи нагрузочного реостата (сопротивлением 30 Ом) значение тока I2 от 0,2 до номинального значения I2н=1,25А. Данные опытов занести в табл. 4.1.
48
Таблица 4.1
|
|
|
|
|
|
|
Наблюдения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычисления |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
№ |
|
U , |
|
|
U |
2 |
, |
|
|
I , |
|
I |
2 |
, |
|
P , |
cos ϕ |
|
P , |
|
|
η, |
|
|
|
R , |
|
β |
|
|
|
u2, |
||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
2 |
|
% |
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
% |
|
||||||||
|
|
В |
|
|
|
В |
|
|
|
А |
|
|
А |
|
|
Вт |
|
|
|
Вт |
|
|
|
|
Ом |
|
|
|
|
|
|
|||||||
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.3.3. Опыт холостого хода трансформатора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Разомкнуть ключ SA1. Результаты измерений записать в табл. 4.2. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Определить |
|
коэффициент |
трансформации |
|
трансформатора |
при |
||||||||||||||||||||||||||||||||
U1н = 140 B. |
|
Определить |
параметры трансформатора R0 , X 0 , Z0 в |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
режиме холостого хода при U1н = 140 B и занести в табл. 4.2. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
Наблюдения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычисления |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
U |
1н |
, |
|
I |
|
, |
U |
20 |
, |
|
P , |
cos φ |
φ |
|
δ |
|
I |
µ |
, |
|
R , |
|
Х |
0 |
, |
Z |
0 |
, |
||||||||
№ |
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
10 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
В |
|
|
|
А |
|
|
В |
|
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
Ом |
|
Ом |
Ом |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.3.4. Опыт короткого замыкания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
Снизить |
|
|
первичное |
напряжение |
|
поворотом |
|
|
|
ручки |
||||||||||||||||||||||||||
автотрансформатора до 0 В. Отключить питание! Замкнуть накоротко зажимы реостата Rн. Включить трансформатор в сеть и, плавно повышая напряжение U1 с помощью автотрансформатора, установить значение тока I2 равным номинальному. Результаты измерений записать в табл. 4.3.
Таблица 4.3
|
|
Наблюдения |
|
Вычисления |
|
||
№ |
U1к , |
I1к , |
I2к , |
Pк , cos φк |
Rк , |
Хк , |
Zк , |
|
В |
А |
А |
Вт |
Ом |
Ом |
Ом |
1.
49