Краткие теоретические сведения
Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, действие которого основано на явлении взаимной индукции. Он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U1, I1 в энергию переменного тока с параметрами U2, I2 той же частоты.
 |
Основными частями трансформатора (рис. 1) являются магнитопровод (сердечник) и обмотки первичная и вторичная.
Магнитопровод служит для усиления магнитной связи обмоток, и изготовляется из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис. Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник собирается из отдельных листов, изолированных друг от друга.
Обмотки выполняются из медного или алюминиевого изолированного провода. Обмотка, подключаемая к источнику переменного тока, называется первичной. Обмотка, к которой подключается приемник, называется вторичной. Выводы обмотки высшего напряжения (ВН) обозначаются А-Х, а низшего напряжения – а-х.
При подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного напряжения с ЭДС e1, в ней возникает переменный ток I1, создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Фm, который практически полностью локализован в сердечнике и, следовательно, почти целиком пронизывает витки вторичной обмотки. Изменение этого потока вызывает во вторичной обмотке появление ЭДС взаимной индукции, а в первичной - ЭДС самоиндукции.
|
|
|
 |
При включении нагрузки Zн во вторичной обмотке возникает ток I2, а на ее зажимах устанавливается напряжение U2. Поток Фm, замыкающийся в сердечнике (рис.2) и являющийся результатом действия токов I1, и I2, называется основным потоком взаимоиндукции. А потоки Фр1 и Фр2, сцепленные каждый с соответствующей обмоткой и созданные соответственно токами I1 и I2, называются потоками рассеяния.
Потоки рассеяния индуктируют в обмотке ЭДС рассеяния eр1 – в первичной и eр2 – во вторичной.
По закону Ома, ток I1, первичной обмотки определяется алгебраической суммой внешней ЭДС и ЭДС самоиндукции: 
,
где R1 – сопротивление первичной обмотки;
N1 – число витков в первичной обмотке.
Падение напряжения I1R1 на сопротивлении R1 при быстропеременных полях мало по сравнению с каждой из двух ЭДС, поэтому
(1)
ЭДС взаимной индукции, возникающее во вторичной обмотке
(2)
Сравнивая выражения (1) и (2), получим, что ЭДС, возникающая во вторичной обмотке
(3)
где знак «-» показывает, что ЭДС в первичной и вторичной обмотках противоположны по фазе.
|
|
|
Отношение числа витков 
, показывающее, во сколько раз ЭДС во вторичной обмотке трансформатора больше (или меньше) чем в первичной, называется коэффициентом трансформации.
Пренебрегая потерями энергии, которые в современных трансформаторах не превышают 2 % и связаны в основном с выделением в обмотке джоулевой теплоты и появлением вихревых потоков, и, применяя закон сохранения энергии, можно записать, что мощности тока в обоих обмотках практически одинаковы:
учитывая соотношение (3), найдём
(4)
т.е. токи в обмотках обратно пропорциональны числу витков в этих обмотках.
Если 
> 1 – трансформатор повышающий, увеличивает переменную ЭДС и понижает ток.
Если < 1 – трансформатор понижающий, уменьшает ЭДС и повышает ток.
Каждый трансформатор изготовляется на определённый режим работы, называемый номинальным. Величины, характеризующие номинальный режим, указываются на щитке трансформатора (или на паспорте). На щитке указывается также тип трансформатора, число фаз, схема соединений, напряжение короткого замыкания в процентах
,
где U1кз – напряжение, соответствующее номинальному току при коротком замыкании зажимов вторичной обмотки;
|
|
|
U1H – номинальное напряжение.
Для определения параметров опытным путём выполняют два опыта – опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.
 |
1. Опыт холостого хода – это такой режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута (I2 = 0), а первичная включена на номинальное напряжение U1н.
При этом в первичной обмотке протекает ток холостого хода I0 (рис. 3). Для силовых трансформаторов ток холостого хода составляет (0,02 ¸ 0,1)I1н.
Поток трансформатора, обусловленный намагничивающей силой I0N1, наводит в обмотках ЭДС.
;
;
,
где N1, N2 - числа витков обмоток трансформатора;
v - частота переменного тока;
x1 = N1L1 = 2pvLp1 - индуктивное сопротивление, обусловленное потоком рассеяния первичной обмотки.
В соответствии со вторым законом Кирхгофа уравнение для первичной цепи трансформатора можно записать в следующем виде
,
где r1 – сопротивление первичной обмотки.
По данному уравнению на рис. 4 построена эквивалентная схема трансформатора в режиме холостого хода и векторная диаграмма для этого режима.
Участок эквивалентной схемы с сопротивлением r0 и x0, где действующий ЭДС e1, называют намагничивающей ветвью.
|
|
|
Обычно напряжение jI0x1 и I0r1 невелики. В силовых трансформаторах r0>>r1 и x0>>x1, а поэтому, с некоторым приближением, можно считать, что подведённое к трансформатору напряжение 
уравновешивается ЭДС 
. При постоянном первичном напряжении и частоте это даёт
.
Так как ток холостого хода по сравнению с номинальным мал, то потерями мощности в первичной обмотке на её нагревание I02r1 пренебрегают, считая мощность, потребляемую трансформатором в опыте холостого хода, равной потерям в стали, т.е.
P0 = Pст + I02r1 » Pст
мощностью потерь в стали.
Параметры намагничивающей ветви эквивалентной схемы трансформатора можно определить по следующим соотношениям
; 
;
; 
.
При построении векторной диаграммы целесообразно придерживаться определённой последовательности. Можно использовать, например, такую:
.
Здесь Ioa – активная составляющая тока I0, Iop – реактивная составляющая тока I0.
Реактивную составляющую называют также намагничивающим током, поскольку она совпадает по фазе с основным потоком Фm.
2. Опыт короткого замыкания – это такой режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко(U2 = 0), а к первичной подведено пониженное напряжение U1к такой величины. Чтобы вторичный ток был равен номинальному. Схема опыта показана на рис. 5.
Напряжение короткого замыкания силовых трансформаторов составляет 5-10 % от номинального первичного напряжения. Поэтому поток сердечника в этом режиме настолько мал, что его величиной можно пренебречь. При этом условии будут справедливы следующие величины:
или
Здесь величину 
называют приведённым вторичным током.
Уравнения второго закона Кирхгофа для этого случая примут вид:
.
В этих уравнениях величины, отмеченные штрихами, называются приведенными. В основу приведения положены неизменность энергетических и фазовых соотношений. Поэтому
Эквивалентная схема трансформатора в опыте короткого замыкания и векторная диаграмма для этого режима показана на рис. 6.
Параметры эквивалентной схемы можно определить по выражениям
Для некоторых из трансформаторов справедливо 
и 
, тогда
; 
; 
Порядок построения векторной диаграммы для опыта короткого замыкания такой же, как и для диаграммы опыта холостого хода.
Определённые из опытов холостого хода и короткого замыкания значения параметров эквивалентных схем позволяет рассчитать эксплуатационную характеристику трансформатора для любого характера его нагрузки.
3. Нагрузочным режимом трансформатора называют работу его при включении некоторого сопротивления нагрузки, рис. 7.
По условию эксплуатации силовых трансформаторов напряжение питающей сети и её частота остаются постоянными. Поэтому основной магнитный поток также остаётся постоянным. Стало быть, справедливо следующее:
- потери в стали, не зависят от нагрузки.
- намагничивающая сила не зависит от нагрузки, т.е.
;
- изменение потерь в трансформаторе происходит за счёт потерь в меди, т.е.
,
где 
- коэффициент нагрузки.
Нагрузочный режим трансформатора удобно описывать уравнениями приведённого трансформатора, рис. 8.
На приведённой схеме замещения трансформатора различают и называют три ветви, первичную с параметрами r1 и x1, вторичную с параметрами приведённой вторичной обмотки 
и 
и приведённой нагрузки Zн 
и ветвь намагничивания с параметрами r0 и x0.
Для приведённого трансформатора уравнения электрического равновесия имеют следующий вид:
,
где 
- приведённое вторичное напряжение;
- приведённое сопротивление нагрузки.
При построении векторной диаграммы может быть рекомендована такая последовательность
.
Эксплуатационные показатели трансформатора могут быть оценены по рабочим характеристикам:
; 
; 
; 
; 
.
при 
; 
; 
; 
.
; 
; 
.
Порядок выполнения работы
1. Произвести опыт холостого хода. Для этого выполнить следующее:
- ознакомиться с лабораторным оборудованием и схемой эксперимента. Записать паспортные данные приборов и трансформатора в счётный бланк;
- собрать схему в соответствии с рис. 3, обратив внимание на пределы измерения приборов и предъявить её для проверки.
- Получив разрешение преподавателя или инженера лаборатории (лаборанта) , включить схему и установить режим, соответствующий опыту холостого хода.
- Показания приборов записать в табл. 1.
Таблица 1
| Наблюдения | Вычисления | ||||||||
 ,В
|  ,А
|  ,Вт
|  ,В
| 
| 
|  ,Ом
|  ,Ом
|  ,Ом
| 
|
Определить параметры намагничивающей ветви по приведенным формулам:
; 
; ; 
.
Результаты вычислений записать в табл. 1.
2. Произвести опыт короткого замыкания. С этой целью собрать схему в соответствии с рис. 5, обратив внимание на подбор измерительных приборов. После проверки схемы преподавателем или инженером лаборатории включить её и установить режим, соответствующий опыту короткого замыкания (перед включением схемы обязательно установить регулятор напряжения на нулевую отметку!). Показания приборов записать в табл. 2.
Таблица 2
| Наблюдения | Вычисления | |||||||||
 ,В
|  ,
А
|  ,
А
|  ,
Вт
|  ,
Ом
|  ,
Ом
|  ,
Ом
|  ,
В
|  ,
Ом
|  ,
Ом
| 
|
Определить параметры эквивалентной схемы по формулам.
; 
; 
; 
; 
; 
.
Результаты вычислений записать в табл. 2.
3. Исследовать трансформатор под нагрузкой. Для этого собрать схему в соответствии с рис. 7, подобрав измерительные приборы по номиналам трансформатора.
После проверки схемы преподавателем или инженером лаборатории включить её и установить первичное напряжение, равное номинальному. Это напряжение в течение всего эксперимента необходимо поддерживать неизменным.
Нагружая трансформатор ступенями через 0,25Iн, путём подключения лампового реостата, записать показания приборов на каждой ступени в табл. 3.
Таблица 3
| № | Наблюдения | Вычисления | |||||||
 ,В
|  ,А
|  ,Вт
|
 ,В
|
 ,А
|  ,Вт
| 
| 
| 
| |
| 1 | Данные опыта холостого хода |
|
|
|
| ||||
| 2 |
| ||||||||
| 3 |
| ||||||||
| 4 |
| ||||||||
| 5 | Номинальный режим | ||||||||
| 6 |
| ||||||||
Произвести обработку результатов эксперимента по ниже приведенным формулам и результаты вычислений записать в табл. 3.
; 
; 
; 
.
4. Сделать выводы по проделанной работе.
В выводах обосновать:
- Цель проведения опытов холостого хода и короткого замыкания.
- Причину и характер изменения величин.
Контрольные вопросы
1. Какова цель данной работы.
2. Запишите выражение и сформулируйте основной закон электромагнитной индукции (Закон Фарадея-Ленца).
3. Дайте определение явления взаимной индукции, напишите формулу определения ЭДС взаимной индукции.
4. Каков физический смысл взаимной индуктивности М, в каких единицах измеряется?
5. От чего зависит взаимная индуктивность?
6. Поясните принцип работы трансформатора.
7. Какими номинальными величинами характеризуется трансформатор.
8. Что такое трансформатор?
9. Что определяется по опытам холостого хода и короткого замыкания.
Лабораторная работа № 11
«Исследование цепи постоянного тока»
Цель работы:исследовать зависимость мощности и коэффициента полезного действия от величины силы тока в цепи.
Приборы и принадлежности:
1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
2. Источник питания «Практикум».
3. Добавочные сопротивления.
4. Амперметр.
5. Вольтметры.
6. Реостат.
7. Ключ.
8. Соединительные провода.
Краткая теория
Если к однородному проводнику приложено напряжение U, то за время dt через сечение проводника переместится заряд dq = Idt. Так как ток представляет собой перемещение заряда dq под действием электрического поля, то работа тока
(1)
Если сопротивление проводника R, то, используя закон Ома, получим
(2)
мощность тока Р есть физическая величина, равная работе, совершаемой в единицу времени:
(3)
Выражения (3) справедливы как для переменного, так и для постоянного токов, причём для переменного тока этими формулами определяется мгновенное значение мощности.
Если сила тока выражается в амперах, напряжение в вольтах, то работа в джоулях (1 Дж = = 1 В.А.с), а мощность в ваттах (1 Вт = 1 А.В).
Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идёт на его нагревание, и по закону сохранения энергии dQ = dA.
Используя выражения (1,2), получим
(4)
Выражения (4) представляют собой закон Джоуля – Ленца:
Количество теплоты, выделяемой постоянным электрическим током в участке цепи, равно произведению квадрата силы тока, времени его прохождения и электрического сопротивления этого участка цепи.
Полная мощность Р, развиваемая источником тока, идёт на выделение тепла во внешнем и внутреннем сопротивлениях и равна:
(5)
Мощность, выделяемая во внешнем сопротивлении, называется полезной мощностью и равна:
.
Из закона Ома для полной цепи 
можно определить падение напряжения на внешнем сопротивлении
, (6)
тогда зависимость полезной мощности от силы тока в цепи имеет следующий вид:
(7)
или
.
График зависимости 
- парабола, ветви которой направлены вниз. Точки пересечения параболы с осью тока получим, подставив в формулу (7) значение 
: I1=0,
или
. (8)
Коротким замыканием называется режим работы цепи, при котором внешнее сопротивление R=0.Из формулы закона Ома для полной цепи получается выражение: 
, которое совпадает с формулой (8).
Полезная мощность максимальна в середине графика и соответствует половине значения силы тока короткого замыкания
. (9)
Сравнивая формулу (9) с законом Ома для полной цепи получаем, что полезная мощность максимальна, когда внешнее сопротивление равно внутреннему
R = r. (10)
Подставляя выражение (10) в формулу (7), можно получить максимальное значение полезной мощности.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 423; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!