Исследование режимов однофазного трансформатора

1. Цель работы

Ознакомление с устройством трансформатора. Опытное определение параметров трансформатора. Опытное снятие характеристик холостого хода и эксплуатационных характеристик. Расчет эксплуатационных характеристик по параметрам трансформатора.

2. Теоретические сведения

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, действие которого основано на явлении взаимной индукции. Он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U₁ и I₁ в энергию переменного тока с параметрами U₂ и I₂ той же частоты. Конструктивно трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного магни-топровода, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключены приемники (нагрузка), - вторичной.

Переменный магнитный поток, возбужденный в магнитопроводе, наводит в обмотках трансформатора э.д.с., действующие значения которых

, ,

где - частота переменного тока;

- число витков обмотки;

- амплитуда магнитного потока.

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее э.д.с.: ; а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается э.д.с. первичной обмотки: .

Если к вторичной обмотке, полное сопротивление которой Z₂, присоединен приемник, то во вторичной цепи возникает ток I₂, а на зажимах приемника установится напряжение . Это напряжение зависит от параметров приемника и может быть определено по внешним характеристикам трансформатора.

3. Методика измерений

Различают три режима работы трансформатора: режим холостого хода, режим короткого замыкания и режим нагрузки.

Для определения параметров и эксплуатационных электрических величин проводят анализ режимов работы трансформатора.

3.1. Работа трансформатора в режиме холостого хода

Режимом холостого хода называется такой режим, при котором к первичной обмотке подведено напряжение, а вторичная обмотка разомкнута. Исследование трансформатора в режиме холостого хода позволяет определить следующие величины: K, I₁₀, P_cт, cos φ₀, φ₀, δ, Z_μ, r_μ, x_μ.

Коэффициент трансформации

.

Ток холостого хода I₁₀ для современных трансформаторов составляет 3+10% номинального тока.

В трансформаторе существует 2 вида потерь мощности: потери в стали (магнитные потери) и потери в меди (электрические потери).

Потери в стали практически не зависят от нагрузки трансформатора и зависят от частоты и максимального магнитного потока.

Величина магнитного потока определяется приложенным напряжением, значит, и потери в стали зависят от величины приложенного напряжения.

Поскольку при холостом ходе нагрузка отключена, а U₁ = U_1н, то все потери мощности можно считать потерями в стали: Р₀ Р_ст.

Коэффициент мощности при холостом ходе

.

Угол магнитных потерь

Параметры намагничивающего контура:

.

3.2. Работа трансформатора при опытном коротком замыкании

Следует различать режим короткого замыкания в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания. Первый представляет собой аварийный режим трансформатора I_к.з. = (10 + 20)I_н. трансформатор сильно нагревается и перегрев может вызвать его разрушение.

Опыт короткого замыкания в лабораторных условиях проводится с целью определения параметров трансформатора. Его проводят при значительно пониженном напряжении на первичной обмотке, когда ток в ней достигнет величины I_1Н,.а вторичная обмотка замкнута накоротко.

В современных трансформаторах U_к% =(5 + 10)%. При этом напряжении токи в обмотках будут иметь номинальное значение.

Опыт короткого замыкания позволяет определить: U_к%, Р_м, cos φ_к, r_к, х_к, r₁, r₂, x₁, x₂.

Напряжение короткого замыкания:

; .

В связи с тем, что приложенное напряжение к трансформатору мало, а токи в первичной обмотке имеют номинальное значение, можно считать, что в режиме к.з. вся потребляемая трансформатором мощность идет на потери в обмотках (потери меди),

, где .

Коэффициент мощности в режиме к.з.

Параметры обмоток трансформатора

, ,

.

3.3. Работа трансформатора в режиме нагрузки

Режимом нагрузки называется такой режим, при котором к первичной обмотке подведено номинальное напряжение, вторичная включена на нагрузку.

Режим нагрузки позволяет экспериментально снять внешнюю характеристику и зависимость коэффициента полезного действия от коэффициента загрузки трансформатора .

Режим холостого хода

Рис.1

режим короткого замыкания

Рис.2

режим нагрузки

Рис.3

Режим холостого хода

Измерено	Вычислено
U1н	I10	P0	U20	K	Pст	сosφ0	δ	zμ	rμ	xμ	φ0
В	А	Вт	В	-	Вт	-	град	Ом	Ом	Ом	град

Режим короткого замыкания

Измерено

Вычислено

Iк

U1к

Pк

Uк %

Pм

zк

rк

xк

r1 = r2^1

х1=х2^1

Uка

Uкр

cosφк

А

В

Вт

%

Вт

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

%

%

-

Режим нагрузки

Измерено	Вычислено
U1	I1	P1	U2	I2	β	Zн	P2	сosφ1	сosφ2	ηэксп	ηрасч
В	А	Вт	В	А	-	Ом	Вт	-	-	%	%

К.п.д. можно определить расчетным путем, исходя из данных всех 3-х опытов по формуле:

, где

- коэффициент нагрузки;

- номинальная мощность трансформатора;

- коэффициент мощности нагрузки.

4. Программа выполнения работы

4.1. Записать паспортные данные оборудования и используемых приборов, в том числе и номинальные данные испытуемого трансформатора

Номинальная мощность связана с напряжениями и током формулами:

или

4.2. Собрать схему, изображенную на рис. 1 и снять характеристики холостого хода трансформатора:

Следует иметь ввиду, что допустимый верхний предел повышения напряжения при холостом ходе U₁₀ равен 1,1U_1н. Данные эксперимента записывать в таблицу по форме 2. По данным измерения произвести соответствующие вычисления.

4.3. Собрать схему, изображенную на рис. 2, и произвести измерения. Следует учесть, что при опыте к.з. вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко, а к первичной подводится пониженное напряжение U_1К, но токи при этом в первичной и вторичной обмотках будут равны номинальным.

Для понижения напряжения пользуются ЛАТРом. Последний устанавливают в нулевое положение, затем увеличивают напряжение до значения ~5% от номинального напряжения U_1к ≈ 0,05U_1н.

Данные опыта и результаты вычислений занести в таблицу по форме 3.

4.4. Режим нагрузки трансформатора

Собрать схему, изображенную на рис. 3.

В первой строчке таблицы значения приборов записывают при разомкнутой вторичной цепи и номинальном первичном напряжении (холостой ход), замыкаем ключ К во вторичной цепи, постепенно нагружая трансформатор при помощи реостата токами 25, 50, 75, 100 и 125% от номинального тока.

Данные опытов и результаты вычислений заносятся в таблицу по форме 4.

5. Содержание отчета

5.1. Цель и содержание работы

5.2. Перечень оборудования и приборов, их паспортные данные

5.3. Электрические схемы установки

5.4. Таблицы экспериментальных результатов

5.5. Основные расчетные формулы с числовым параметром расчета

5.6. Построить характеристики холостого хода

5.7. Построить внешнюю характеристику по данным опыта

5.8. Построить экспериментальную и расчетную зависимость

5.9. Выводы по работе

5.10. Дата выполнения. Подпись студента.

6. Контрольные вопросы

6.1. Назначение трансформатора

6.2. Как устроен однофазный трансформатор?

6.3. Принцип действия однофазного трансформатора.

Дата добавления: 2015-08-17