- •Электротехника
- •Содержание
- •Основы электробезопасности
- •Инструктаж на рабочем месте
- •Категорически запрещается !
- •Правила для студентов, работающих в лаборатории
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Электрические измерения и приборы (эип).
- •Измерение параметров электрической цепи.
- •Исследование неразветвленной электрической цепи синусоидального тока с различными видами нагрузки.
- •Исследование разветвлённой электрической цепи синусоидального тока с различными видами нагрузки.
- •Исследовать явление резонанса токов.
- •Исследование электрической цепи постоянного тока с линейными и нелинейными элементами.
- •Исследование трёхфазных цепей при соединении нагрузки по схеме «звезда»
- •Исследование трехфазных цепей при соединении нагрузки по схеме «треугольник»
- •Испытание однофазных трансформаторов
- •Испытание асинхронных двигателей в трёхфазном и однофазном режимах
- •Испытание двигателя постоянного тока параллельного возбуждения
- •Список литературы
Испытание однофазных трансформаторов
Цель работы
Изучить конструкцию однофазных трансформаторов.
Исследовать однофазный трансформатор в режимах: холостого хода, короткого замыкания, нагрузки.
Краткая теория
Первые однофазные трансформаторы были построены в 187577 годах инженером П.Н. Яблочковым и были использованы для устройства электрического освещения. В 1882 году на промышленной выставке в Москве демонстрировались трансформаторы конструкции другого русского изобретателя И.Ф. Усагина. Первые трёхфазные трансформаторы были построены русским учёным М.О. ДоливоДобровольским в 1889 году, который вывел уравнение трансформаторной э.д.с. и дал метод испытания трансформаторной стали.
Трансформатор в простейшем случае имеет две обмотки - первичную и вторичную, размещённые на общем сердечнике – магнитопроводе, собираемом из листовой электротехнической стали, изолированной лаком и бумагой.
Если одну из обмоток трансформатора – первичную с числом витков W1 запитать переменным током, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток Ф, возбуждающий:
в первичной обмотке э.д.с. e1= W1 ;
во вторичной обмотке э.д.с. e2= W2 .
Действующие значения этих э.д.с. равны
Е1 = 4,44 f W1 Фm, Е2 = 4,44 f W2 Фm, где
W2 – число витков вторичной обмотки, f – частота сети.
Если во вторичную цепь включена нагрузка, то по ней протекает ток I2 . Магнитный поток в сердечнике трансформатора, работающего под нагрузкой, обусловлен совместным действием намагничивающих сил обеих обмоток. Однако, амплитудное значение этого потока почти не зависит от величины токов в обмотках трансформатора. Оно пропорционально величине напряжения U1, подведённого к трансформатору.
Отношение k = = называется коэффициентом трансформации трансформатора. Если величины W1 и W2 неизвестны, то коэффициент трансформации определяется по результатам опыта холостого хода.
Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, когда к первичной обмотке подведено напряжение, а вторичная обмотка разомкнута. Ток, протекающий в этом случае в первичной обмотке, называют током холостого хода и обозначают I0.
Так как во вторичной обмотке тока нет, поэтому э.д.с. равна напряжению на зажимах U20 при холостом ходе, т.е. Е2 = U20, а э.д.с. Е1 ничтожно мало отличается от напряжения U1, и коэффициент трансформации определится как соотношение k = . (8.1)
Работа трансформатора сопровождается потерей некоторой части потребляемой мощности и выделением тепла внутри трансформатора.
Потери мощности трансформатора подразделяются на две группы:
потери в стали,
потери в меди.
Мощность холостого хода трансформатора расходуется на потери в стали сердечника трансформатора и потери в меди первичной обмотки вследствие прохождения по ней тока холостого хода,
т.е. Р0 =∆Рст + I02 R1 ;
где ∆Рст – магнитные потери в стали трансформатора,
R1 – активное сопротивление первичной обмотки.
Откуда ∆Рст = Р0 I02 R1. (8.2)
Потери в стали ∆Рст , обусловленные гистерезисом и вихревыми токами, пропорциональны квадрату магнитного потока сердечника и поэтому не зависят от нагрузки трансформатора, а только от подводимого напряжения U1. При одном и том же напряжении эти потери будут одинаковы как при холостом ходе, так и при полной нагрузке трансформатора. Потери холостого хода составляют около 2% номинальной мощности трансформатора.
Потери в меди ∆РМ, наоборот, зависят не от магнитного потока, а от квадрата тока в обмотках, т. е. ∆РМ= ,
где R1 и R2активные сопротивления обмоток трансформатора.
Опыт короткого замыкания трансформатора проводят для определения потерь в меди, для определения активного и реактивного сопротивлений обмоток трансформатора, для определения напряжения короткого замыкания.
В опыте короткого замыкания одну из обмоток трансформатора замыкают накоротко и постепенно повышают напряжение на зажимах второй обмотки до тех пор, пока ток в ней достигнет номинального значения. Полученное напряжение U1K называют напряжением короткого замыкания и выражают в процентах по отношению к номинальному первичному напряжению, т.е. UK= 100%. (8.3)
У большинства силовых трансформаторов напряжение короткого замыкания составляет 5.5 %. Поэтому магнитный поток в сердечнике трансформатора, а, следовательно, и потери в стали при опыте короткого замыкания получаются незначительными.
Мощность PK, потребляемую трансформатором при опыте короткого
замыкания, измеренную ваттметром, можно считать равной потерям в меди при номинальных токах в обмотках.
Поскольку потери в меди пропорциональны квадрату тока в обмотках, то зная величину PK, можно рассчитать эти потери для любой нагрузки трансформатора ∆PM = β2PK,
где β = коэффициент загрузки трансформатора, равный отношению тока нагрузки I2 к номинальному току вторичной обмотки.
Полные потери мощности в трансформаторе будут равны
∆P =∆Рст+∆PM.
Метод определения потерь по опытам холостого хода и короткого замыкания удобен тем, что посредством его можно определить к.п.д. крупных трансформаторов при отсутствии источника энергии достаточно большой мощности и соответствующей нагрузки как отношение мощности Р2 к получаемой Р1
η = = = , (8.4)
где S=UНIН номинальная мощность в вольт-амперах,
cos φ2 коэффициент мощности, зависящий от характера нагрузки.
Для ламп накаливания принимают cos φ2=1.
Омическое сопротивление обмоток трансформатора замеряют по методу амперметра и вольтметра. Величина тока при измерениях не должна превышать 20% номинального тока обмотки. Сопротивление обмоток измеряется при трёх различных значениях тока и определяется как среднее арифметическое значение трёх измеренных сопротивлений. Омическое сопротивление обмоток трансформатора измеряется постоянным током по схеме, изображенной на рис. 8.1. Замерив показания амперметра и вольтметра, определяют омическое сопротивление по закону Ома
r = . (8.5)
Активное сопротивление обмоток можно приближенно определить по формуле R ≈ rKФ (8.6)
где КФ коэффициент активного сопротивления, учитывающий увеличение сопротивления при переменном токе КФ=1,05 - 1,2.
Приборы и лабораторное оборудование
Однофазный трансформатор.
Амперметры, вольтметры, ваттметры.
Лабораторный автотрансформатор.
Активная нагрузка – две фазы по 7 ламп на фазу.
Источник питания ~127/220В.
Порядок выполнения работы
Исследование однофазного трансформатора.
Произвести внешний осмотр, изучить расположение первичной и вторичной обмоток, конструкцию магнитопровода, записать паспортные данные.
Собрать схему рис. 8.1.
Рис. 8.1
Измерить омическое сопротивление первичной и вторичной обмоток трансформатора. Результаты измерений занести в таблицу 8.1.
Таблица 8.1
Измерено |
Вычислено |
|||||||
U1 B |
U2 B |
I1 A |
I2 A |
r1 Ом |
r2 Ом |
R1 Ом |
R2 Ом |
|
Цена д |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По формулам (8.5) и (8.6) подсчитать величины омического и активного сопротивлений обмоток.
Собрать электрическую цепь, изображенную на рис. 8.2; 8.2А.
Рис. 8.2 А
Провести опыт холостого хода (рис. 8.2).
Примечание:
Перед подачей напряжения на трансформатор TV (ЛаТр) предварительно установить минимальное значение выходного напряжения (достигается поворотом рукоятки по направлению против часовой стрелки).
Записать показания приборов в таблицу 8.2, изменяя U1 от некоторого значения до номинальной величины.
Таблица 8.2
Измерено |
Вычислено |
||||||
U1 B |
U20 B |
I0 A |
P0 Вт |
∆ PСТ Вт |
k |
сos φ0 |
|
Цена д |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычислить:
коэффициент трансформации по формуле (8.1),
cos φ0 по формуле cos φ0 = ,
потери в стали по формуле (8.2).
построить графики I0=f(U1), ∆PСТ =f(U1), cos φ0=f(U1).
Собрать схему (рис. 8.2А) и провести опыт короткого замыкания.
По имеющимся паспортным данным определить номинальные значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Включить схему и, постепенно повышая напряжение U1K, довести в первичной обмотке ток до I1=Iном. Сделать несколько замеров при токах, меньших Iном. Учесть, что напряжения короткого замыкания трансформатора должны быть не больше U1K 1-5% Uном.
Замеренные величины записать в таблицу 8.3. Таблица 8.3
Измерено |
Вычислено |
||||||
U1К B |
I1 A |
PК Вт |
I2 A |
UК % |
сos φ1К |
β=I2/I2ном |
η |
Цена д |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычислить напряжение короткого замыкания по формуле (8.3)
и cos φ1К по формуле cos φ1К= .
Определить коэффициент полезного действия трансформатора по формуле (8.4) для рассчитанных по данным опыта значений коэффициентов загрузки β.
Построить графики I1=f(U1К), PK=f(U1К), cos φ1К=f(U1К).
Исследовать трансформатор при активной нагрузке и собрать схему в соответствии с рис.8.3.
Рис. 8.3
Начиная с I2=0 до I2=(1.1…1.2) I2Н при U1=const произвести замеры показаний приборов и записать в таблицу 8.4.
Таблица 8.4
Измерено |
Вычислено |
|||||||
U1 B |
I1 A |
P1 Вт |
U2 В |
I2 А |
P2 Вт |
сos φ1 |
сos φ2 |
|
Цена д |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определить cos φ1= , а cos φ2 считать равным единице, т. к. во вторичной цепи активная нагрузка.
Построить внешнюю характеристику трансформатора, представляющую собой зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки U2 от тока во вторичной обмотке I2: U2=f(I2) при U1=const, cos φ2=const.
Контрольные вопросы
В чём заключается принцип действия, и каково устройство однофазного трансформатора?
Какова задача опыта холостого хода трансформатора?
Какие параметры замеряются и определяются в результате опыта короткого замыкания?
Как определяются потери мощности в трансформаторе?
Как маркируются обмотки трансформатора?
Почему потери мощности в сердечнике трансформатора не зависят от тока нагрузки?
Какое влияние оказывает характер нагрузки на внешнюю характеристику трансформатора?
Лабораторная работа № 9