Лабораторная работа №4. Исследование однофазного и трехфазного трансформатора

Цель работы: ознакомление с конструкцией однофазного и трехфазного трансформаторов, исследование режимов холостого хода, короткого замыкания и нагрузочного, расчет параметров однофазного трансформатора по опытным данным, ознакомление с различными группами соединения обмоток трехфазного трансформатора.

4.1Краткие Теоретические сведения

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одной величины напряжения в электрическую энергию другого напряжения при неизменной частоте.

4.1.1Однофазный трансформатор

В однофазных цепях для трансформирования напряжения используются однофазные трансформаторы, в трехфазных цепях, как правило, используются трехфазные трансформаторы, которые представляют собой совокупность трех однофазных трансформаторов, расположенных на одном трехстержневом магнитопроводе.

Однофазный трансформатор представлен на рис.1.

На замкнутом магнитопроводе, набранном из пластин специальной электротехнической стали, расположены две обмотки (W1 и W2). К первичной обмотке с числом витков N1 подводится энергия от источника питания. Ко второй обмотке с числом витков N2 подключается нагрузка. Энергия из первичной обмотки во вторичную передается посредством основного магнитного потока Ф, величина которого пропорциональна приложенному к трансформатору напряжению U1, т.к.

Отношение ЭДС первичной обмотки Е1 к ЭДС вторичной обмотки Е2 называется коэффициентом трансформации:

;

при условии, что N₁>N₂. В схеме замещения трансформатора (рис.2) электромагнитная связь обмоток заменена электрической; сопротивления Z₁ и Z₂ заменяют первичную и вторичную обмотки трансформатора, а Z₁₂ магнитную связь между контурами. Параметры схемы замещения R₁, Х₁, R₂, Х₂, R₁₂, Х₁₂ могут быть определены с помощью опытов холостого хода и короткого замыкания, проводимых на реальном трансформаторе.

Опыт холостого хода проводится при номинальном напряжении U₁₀=U_1н на зажимах первичной обмотки и при разомкнутой цепи вторичной обмотки I₂=0, U₂=U_2н. Электрическая схема и схема замещения трансформатора в этом режиме представлена на рис.3. В опыте измеряется мощность Р_о, потребляемая трансформатором из сети, ток первичной обмотки I₁₀ и напряжение на вторичной обмотке U_2н. Ток I₁₀ очень мал и составляет (2-10)% от номинального тока. Коэффициент трансформации определяется по отношению показаний вольтметров, подсоединенных к обмоткам:

;

Мощность Р_о затрачивается в основном на потери в стали магнитопровода ‑ Р_ст (на вихревые токи и гистерезис), т.е. Р_о= ‑Р_ст, а потери в обмотках в этом режиме пренебрежимо малы. По данным опыта можно определить параметры ветви намагничивания:

; ;

Опыт короткого замыкания проводится при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора и таком пониженном напряжении на зажимах первичной обмотки, называемом "напряжением короткого замыкания" составляющем (5,5-10)% от номинального, при котором ток во вторичной обмотке принимает номинальное значение I_2к=I_2н. В опыте измеряются напряжение на первичной обмотке U_1к, ток в обеих обмотках I_1к, I_2к и потребляемая из сети мощность Р_к. Электрическая схема и схема замещения для режима короткого замыкания представлены на рис.4. Сопротивление Z_к=R_к+jХ_к называется сопротивлением короткого замыкания. Мощность в этом опыте расходуется на потери в обмотках, т.е. Р_к=Р_м=R₁*I_1к+R₂*I₂=R_кI_1к. Данные опыта позволяют определить параметры схемы короткого замыкания по формулам:

; ; ;

; ;

Нагрузочный режим является основным рабочим режимом трансформатора (рис.5). В этом режиме на первичную обмотку подается номинальное напряжение, а ко вторичной обмотке подключается нагрузка. Зависимость U₂=f(I₂) при U₁=соnst называется внешней характеристикой трансформатора. При увеличении нагрузки, т.е. величины тока I₂, напряжение U₂ падает в силу увеличения падения напряжения во вторичной обмотке трансформатора (при ₂ > 0). Отношение полезной мощности Р₂ к потребляемой мощности Р₁ называется коэффициентом полезного действия (КПД) =Р₂/Р₁. Потери мощности складываются из потерь в обмотках и потерь в магнитопроводе Р=Р_ст+Р_м. КПД имеет максимум, когда Р_ст=Р_м.