4. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Рабочую схему установки;

2. Перечень и технические характеристики использованного оборудования и измерительных приборов;

3. Таблицы 1,2,3 с данными измерений и вычислений;

4. Расчетные формулы, по которым производились вычисления;

5. Графики U₂, P₁, η и cosφ₁, построенные аккуратно с указанием масштабов на осях координат;

6. Схему замещения трансформатора;

7. Краткие выводы о работе.

5. Контрольные вопросы

1. На каком физическом явлении основана работа трансформаторов?

2. Для чего нужно повышать и понижать напряжение?

3. По каким внешним признакам можно различить в трансформаторе обмотки низшего и высшего напряжений?

4. Для чего нужно охлаждать работающий силовой трансформатор?

5. Какие напряжения на первичной и вторичной обмотках называются номинальными?

6. С какой целью производят опыт холостого хода трансформатора?

7. Чем отличается испытательный режим короткого замыкания от аварийного короткого замыкания?

8. Какие потери имеют место в трансформаторе и как они зависят от нагрузки?

9. Почему с изменением нагрузки изменяется вторичное напряжение при неизменности первичного?

10. Что такое схема замещения трансформатора, для чего ее составляют?

11. При каких нагрузках трансформатор работает с наименьшими экономическими показателями (η, cosφ)?

6. Основные теоретические положения

Трансформатором называется электромаг-нитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Если трансформатор повышает напряжение, он называется повышающим, если понижает - понижающим.

Трансформаторы, которые применяются в сетях передачи и распределения электроэнергии, называются силовыми.

Работа трансформатора основана на использовании явления электромагнитной индукции, ее частного случая – взаимной индукции.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, собранного из листовой электротехнической стали, на котором расположены две независимые обмотки, выполненные медным изолированным проводом. Обмотка, которая присоединяется к источнику преобразуемого напряжения, называется первичной; другая обмотка, в которой наводится э.д.с. взаимоиндукции, - вторичной. Все величины, которые относятся к этим обмоткам (токи, напряжения, э.д.с. и т.п.) называются соответственно первичными и вторичными.

Принципиальная схема трансформатора приведена на рис.2.

Рис.2. Принципиальная схема трансформатора

Под действием подведенного переменного напряжения U₁ в первичной обмотке возникает ток i₁, и в сердечнике возбуждается переменный магнитный поток Ф. Этот поток индуктирует э.д.с. самоиндукции e₁ и э.д.с. взаимной индукции е₂ в обмотках трансформатора. Э.д.с. е₁ уравновешивает часть входного напряжения U₁, а э.д.с. е₂ создает напряжение U₂ на выходе трансформатора. При подключении нагрузки во вторичной обмотке возникает ток i₂, - из первичной цепи во вторичную передается электрическая энергия. Так как обмотки электрически не связаны, то эта передача происходит электромагнитным путем, т.е. посредством магнитного потока Ф.

Потоки рассеяния обуславливают наличие индуктивных сопротивлений обмоток Х₁ и Х₂. Обмотки характеризуются также активными сопротивлениями R₁ и R₂ . Числа витков первичной и вторичной обмоток ω₁ и ω₂ соответственно.

Основной характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации n, показывающий, во сколько раз трансформатор изменяет напряжение:

.

Здесь U₁ – действующее значение первичного напряжения,

U_2x – действующее значение вторичного напряжения при отключенной нагрузке (холостом ходе).

Так как , а , то

.

Отношение напряжений примерно равно отношению чисел витков.

Здесь E1 и Е2 – действующие значения э.д.с., индуктированных в обмотках;

Фm – амплитуда рабочего потока;

f – частота преобразуемого напряжения.

Если пренебречь потерями мощности, которые в трансформаторе относительно невелики, то можно считать, что мощность, подведенная к трансформатору, примерно равна мощности нагрузки: S₁ ≈ S₂ или U₁I₁≈U₂I₂ .Следовательно:

т.е., если напряжение повышается, то ток в такой же степени понижается, и наоборот.

Каждый трансформатор характеризуется следующими номинальными величинами:

номинальной мощностью Sном , кВА;

номинальным первичным напряжением U_{1 ном} , В;

номинальным вторичным напряжением U_{2 ном} , В, которое определяется при разомкнутой вторичной обмотке, т.е. при I₂ = 0.

_{Номинальные токи определяются из соотношений:}

;

(без учета потерь)

_{Включение нагрузки Zn в цепь вторичной обмотки} вызывает появление вторичного тока I₂ и увеличение первичного тока I₁ . В результате создаются потери напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях обмоток и вторичное напряжение снижается:

U2 < U2x = U2 ном

Нагрузку трансформатора принято оценивать коэффициентом нагрузки:

.

Зависимость U₂ = f(I₂) или U₂ = f(β) при U₁ = const и неизменном характере нагрузки называется внешней характеристикой трансформатора. Из приведенных на рис.3 внешних характеристик видно, что величина вторичного напряжения зависит не только от величины тока нагрузки I₂ , но и от коэффициента мощности (cosφ) электроприемников. Очевидно, что наименьшие значения соответствуют чисто активной нагрузке (cosφ = 1, φ₂ = 0). Об изменении вторичного напряжения судят по величине процентного его изменения:

%

Как элемент электрической цепи трансформатор можно представить эквивалентной электрической схемой (схемой замещения), состоящей из активных и индуктивных сопротивлений (см. рис.4.):

R₁, X₁ и -

активное, индуктивное и полное сопротивления первичной обмотки;

, и -

активное, индуктивное и полное сопротивления вторичной обмотки;

, X₀ и -

активное, индуктивное и полное сопротивления ветви намагничивания;

, и -

активное, индуктивное и полное сопротивления нагрузки.

Схемы замещения применяются при расчетах цепей с трансформаторами.

Рис.4. Схема замещения трансформатора.

Сопротивления элементов схемы определяют экспериментально из опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Опыт холостого хода производят при U₁ = U_{1 ном} и разомкнутой вторичной обмотке – I₂ = 0.

Измеряют:

I_1x – ток холостого хода.

P_x – мощность холостого хода.

U_2x = U_{2 ном} – номинальное вторичное напряжение.

Входное сопротивление трансформатора в режиме холостого хода равно (см.рис.4.):

.

Так как R₀ >> R₁ и Х₀ >> X₁ , то значениями R₁ и X_1­ можно пренебречь.

Следовательно,

;

;

.

Коэффициент мощности трансформатора при холостом ходе

.

По результатам опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации

.

Мощность P_x , потребляемая трансформатором в этом режиме, равна:

,

т.е. представляет собой потери в стали при номинальном первичном напряжении U_{1 ном} . Эти потери не зависят от нагрузки трансформатора и называются постоянными.

Опыт короткого замыкания производится при закороченной вторичной обмотке (Z_н = 0, U₂ = 0) и таком пониженном первичном напряжении U₁ = U_x , при котором токи в обмотках равны номинальным – I_{1 ном} и I_{2 ном}.

Не следует путать опыт короткого замыкания с аварийным коротким замыканием при номинальном первичном напряжении U_{1 ном}, когда токи в обмотках возрастают в десятки раз.

Напряжение U_к обычно выражают в процентах от номинального первичного напряжения U_{1 ном}:

*100 %

и называют напряжением короткого замыкания.

Так как обычно U_к << U_{1 ном} (U_к = 5…10%) то пропорциональный напряжению магнитный поток Ф имеет небольшую вели­чину, а вызываемые им потери в сердечнике незначительны. Можно считать, что мощность при коротком замыкания расходует­ся только на нагрев обмоток, т.е. равна потерям в меди при номинальном режиме:

Входное сопротивление трансформатора в опыте короткого замыкания равно (см.рис.4)

,

где Z_к ,R_k ,X_k - сопротивления (параметры) короткого замыкания.

,

.

С достаточной точностью можно считать, что

, .

Коэффициент мощности

Коэффициент полезного действия трансформатора

где - активная мощность нагрузки; - активная мощность, потреб­ляемая трансформатором от источника (или от сети).

В данном случае .

Как видно из приведенных формул, к.п.д. можно опреде­лить опытным путем, измерив соответствующие точки напряже­ния и мощности. Однако такой прямой метод определения к.п.д. допустим только для трансформаторов малой мощности, у которых имеется значительная разность между подводимой и отдаваемой мощностями.

В других случаях более точный результат дает косвенный способ - по данным опытов холостого хода и короткого замыка­ния:

где β - коэффициент нагрузки трансформатора;

∑P - суммарные потери в трансформаторе, состоящие из по­терь в стали и потерь в меди;

S_ном - номинальная мощность трансформатора;

cosφ - коэффициент мощности нагрузки;

P_х и P_к- мощности, потребляемые трансформатором в опытах

холостого хода и короткого замыкания соответственно.

Эксплуатационные, свойства однофазного трансформатора, работающего при переменной нагрузке, определяются его характеристиками:

U₂ = f(β); η = f(β); cosφ₁ = f(β); I=f(β).

при неизменном первичном напряжении и постоянном коэффициенте мощности (cosφ₂) нагрузки. Эти характеристики строятся по экспериментальным данным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Немцов М. В. Электротехника и электроника. – М.: МЭИ. 2003.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника.–М.: Высшая школа. 2000.

СОДЕРЖАНИЕ