Материал: Однофаз
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования«Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Самара 2016
УДК 621.3 Составитель А.В.Паршина
Исследование однофазного трансформатора: метод. указания к лаб. работе 8 / сост. А.В.Паршина. – Самара: Изд-во Самарский университет, 2016. – 16с.
Рассматривается принцип работы однофазного трансформатора, студентам предлагается провести основные измерения в режимах холостого хода и опытного короткого замыкания, тем самым определить основные характеристики трансформатора.
Методические указания к лабораторной работе 8 являются составной частью цикла лабораторных работ по курсу "Электротехника".
Предназначены для студентов высших учебных заведений.
© Самарский университет, 2016
Цель работы: изучение основных физических явлений в трансформаторе; определение мощности потерь в трансформаторе; определение основных параметров трансформатора и зависимости напряжения на зажимах вторичной обмотки от величины и характера нагрузки.
Основные теоретические положения Трансформатор был разработан и впервые применен для
технических целей почти 100 лет назад русскими инженерами и учеными П.Н. Яблочковым и М.О. Доливо-Добровольским.
Трансформатором называется статический (т.е. без движущихся частей) электромагнитный аппарат, в котором переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Обмотка, соединенная с источником электрической энергии, называется первичной. Соответственно первичными называются все величины, относящиеся к этой обмотке - число витков W, напряжение U ток I и т.д. (буквенные обозначения этих параметров дополняется индексом "1").
Обмотка, отдающая электрическую энергию, и относящиеся к ней величины называются вторичными; их буквенные обозначения имеют индекс "2".
Принцип действия трансформатора.
Схема конструкции простейшего трансформатора изображена на рисунке 1.
Принцип действия трансформатора основан на использования явления электромагнитной индукции. В первом приближении работу трансформатора можно описать следующим образом.
Первичное напряжение, созданное внешним источником электрической энергии, прикладывается к первичной обмотке и вызывает в ней электрический ток:
|
& |
|
U&1 |
, |
(1) |
|
I1 |
= |
& |
||
где z - |
комплексное |
|
z |
первичному току. |
|
сопротивление |
|||||
& |
|
|
|
|
|
Переменный ток |
I1 , протекая по обмотке W1 , создает переменное |
||||
магнитное поле, магнитный поток которого можно считать изменяющийся синусоидально:
Ф = Фm sinωt . |
(2) |
I1 |
|
I2 |
|
|
2 |
ZH |
|
|
|
||
U1 |
|
U |
|
|
|
|
|
W1 |
|
W2 |
|
2 |
1 |
3 |
|
|
|
||
|
|
|
1 – сердечник-магнитопровод, 2 – первичная обмотка, 3 – вторичная обмотка
Рисунок 1 - Схема конструкции трансформатора:
Этот магнитный поток пронизывает вторичную обмотку и индуктирует в ней Э.Д.С.
e = −W |
dФ |
= ωW Ф sin(ωt − |
π |
) = E |
sin(ωt − |
π |
) , (3) |
|
|
2 |
2 |
||||||
2 |
2 dt |
2 m |
2 |
|
|
|||
где |
E2 = 4,44 fW2Фт |
- амплитудное |
значение |
Э.Д.С. |
вторичной |
обмотки, f - |
частота тока в |
первичной |
цепи |
трансформатора. |
|
|
|
|
Э.Д.С. e , действует в цепи нагрузки и вызывает в ней ток I . |
|
|||
Одной из основных характеристик трансформатора является коэффициент трансформации. Он определяется как отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках:
K |
|
= |
E1 |
= |
W1 |
≈ |
U1 |
(4) |
||
mp |
|
|
|
|||||||
|
|
E |
|
W |
U |
|
|
|||
|
|
|
2 |
2 |
|
|||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||
Так как при номинальной нагрузке КПД трансформатора составляет 99%, можно считать, что полные мощности первичной
и вторичной, обмоток равны: |
|
|
|
|
|
|
|||
S1 = U1I1 ≈ U2I2 |
= S2 |
(5) |
|||||||
Отсюда нетрудно получить коэффициент трансформации |
|||||||||
токов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I1 |
≈ |
U2 |
≈ |
W2 |
= |
1 |
(6) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
I2 |
|
U1 |
|
W1 |
|
Kmp |
|
|
К.П.Д. трансформатора определяется как отношение полезной мощности P2 к потребляемой P1 . По своему значению он близок к
100%, следовательно, P2 и P1 примерно равны. Поэтому для
измерения этих величин и определения К.П.Д. трансформатора необходимы очень точные измерительные приборы, которые позволят измерить разницу между P2 и P1 . Расчёт упрощается,
если определить разность ∆P = P1 − P2 и путем измерения потерь в трансформаторе рассчитать К.П.Д. по формуле:
η = |
P2 |
= |
P1 − ∆P |
=1− |
∆P |
|
|
|
|
|
|
(7) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
P1 |
P1 |
|
P1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Потери в трансформаторе состоят из потерь: |
|
|
|
|
|
||||||||||
на нагревание первичной обмотки P |
= I2r , где r |
- активное |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
M1 |
|
|
1 1 |
1 |
|
|
|
|
|
сопротивление первичной обмотки; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
на перемагничивание |
сердечника P |
|
= σ |
Г |
fB2 y , |
где |
σ |
Г |
- |
||||||
|
|
|
|
|
|
Г |
|
|
m |
|
|
|
|||
коэффициент, зависящий |
от сорта |
стали |
сердечника, |
B2 |
- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
амплитудное значение индукции магнитного поля в сердечнике, y
- масса сердечника; |
|
|
|
|
|
|
на вихревые токи в сердечнике P |
= σ |
B |
f |
2B2 yγ , где σ |
B |
- |
B |
|
|
m |
|
коэффициент, величина которого зависит от сорта стали сердечника, γ - удельная проводимость стали сердечника;
на нагревание вторичной обмотки PМ 2 = I22r2 , где r2 - активное
сопротивление вторичной обмотки.
Обычно эти потери определяются как «потери в меди»: