Лабораторная работа № 3

ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Цель работы: Ознакомление с устройством и работой однофазного трансформатора. Измерение характеристик трансформатора.

Литература: [1] Глава 3; [2] Глава III; [3] Главы третья и четвертая.

Введение

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, осуществляющий преобразование энергии переменного тока заданной частоты и заданного напряжения в энергию переменного тока той же частоты, но другого напряжения.

Однофазный трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки, расположенные на замкнутом ферромагнитном сердечнике. От источника переменного тока напряжение подводится к первичной обмотке с числом витков w₁, а со вторичной обмотки с числом витков w₂, напряжение подается на нагрузку. Под действием магнитного потока Ф, который создается намагничивающими силами и первичной и вторичной обмоток (I₁ и I₂ – токи в первичной и вторичной обмотках соответственно) и замыкается по сердечнику, в первичной и вторичной обмотках трансформатора индуцируется ЭДС и . Отношение большей ЭДС к меньшей определяет важную характеристику трансформатора – коэффициент трансформации K. При :

Таким образом, передача электрической энергии из первичной цепи во вторичную осуществляется посредством переменного магнитного поля в сердечнике, причем цепи электрически изолированы друг от друга.

Трансформаторы являются важнейшими элементами силовых электрических сетей. Они позволяют создать гибкую и удобную систему передачи и распределения электроэнергии.

Использование трансформаторов связано с потерями электрической энергии. Различают два вида потерь в трансформаторе: потери на нагревание обмоток при прохождении по ним переменного тока, получившие название потери в меди (Р_м – мощность потерь в меди), и потери в стальном сердечнике, связанные с гистерезисом (при перемагничивании сердечника) и вихревыми токами, получившие название потери в стали (Р_ст – мощность потерь в стали).

Потери энергии в трансформаторе, определяющие его КПД, можно определить, осуществляя режимы холостого хода и короткого замыкания.

Режимы работы трансформатора

1. Режим холостого хода. Режимом холостого хода трансформатора называют такой режим его работы, при котором к первичной обмотке подведено номинальное напряжение источника питания U_1н, а вторичная цепь разомкнута (нагрузка отсутствует, ).

В режиме холостого хода вторичная цепь отключена, и трансформатор представляет собой катушку индуктивности со стальным сердечником. Нелинейная зависимость индукции магнитного поля В от напряженности магнитного поля Н, свойственная ферромагнитным материалам, позволяет найти нелинейную зависимость магнитного потока Ф от тока в первичной обмотке I₁. Эти нелинейные зависимости приводят к несинусоидальной зависимости тока I₁ от времени при подаче на первичную обмотку синусоидального напряжения.

В режиме холостого хода , поэтому коэффициент трансформации трансформатора равен:

Поскольку в режиме холостого хода ток в первичной обмотке I₁₀ очень мал по сравнению с номинальным рабочим током I_1н, а ток во вторичной обмотке , потери на нагрев первичной обмотки (потери в меди) очень малы. Напряжение, подведенное к трансформатору, максимально и равно номинальному рабочему напряжению U_1н. Вследствие этого потери на нагрев сердечника велики, т.к. они пропорциональны . Поэтому в режиме холостого хода определяют потери в стали Р_ст. Мощность потерь в стали может быть измерена ваттметром, включенным в первичную обмотку трансформатора.

2. Рабочий режим трансформатора.

В рабочем режиме трансформатора на первичную обмотку подается номинальное напряжение U_1н, вторичная обмотка замкнута на сопротивление нагрузки Z_н. В первичной обмотке протекает ток I₁, а во вторичной обмотке – ток нагрузки I₂.

При изменении тока нагрузки I₂ и при неизменном действующем значении напряжения U_1н на первичной обмотке амплитуда магнитного потока Φ остается постоянной, как и в режиме холостого хода, следовательно, намагничивающая сила не меняется и останется той же, что и в режиме холостого хода . Отсюда вытекает свойство саморегулирования трансформатора – важная зависимость тока I₁ в первичной цепи от тока I₂:

,

где – ток в первичной цепи в режиме холостого хода.

3. Режим короткого замыкания.

Опыт короткого замыкания производится при закороченной вторичной обмотке трансформатора (сопротивление нагрузки ).

Плавно изменяя входное напряжение на первичной обмотке, начиная с нулевого значения, устанавливают токи в обмотках . При этом напряжение на первичной обмотке называют напряжением короткого замыкания U_1к. У современных силовых трансформаторов низкого напряжения отношение составляет 3÷5%. Потери в опыте короткого замыкания определяются практически только нагревом обмоток, т.к. потери в стали, пропорциональные квадрату напряжения U_1к, очень малы, вследствие малого значения входного напряжения.

Внешняя характеристика трансформатора

Внешняя характеристика трансформатора – это зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора от изменения нагрузки (тока I₂). На основании второго закона Кирхгофа с ростом тока нагрузки I₂ напряжение на зажимах вторичной обмотки U₂ уменьшается из-за падения напряжения на сопротивлениях обмоток трансформатора. Это явление описывается процентным изменением напряжения на нагрузке:

где – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода.

Мощность и КПД трансформатора

Передача электрической энергии трансформатором сопровождается потерями энергии на нагрев стального сердечника (потери в стали Р_ст) и на нагрев обмоток (потери в меди Р_м). Поэтому КПД трансформатора равен

,

где – активная мощность нагрузки;

– активная мощность, поступающая из сети в первичную обмотку.

В паспортных данных трансформатора приводится номинальная полная мощность трансформатора в В∙А иди кВ∙А:

Поскольку КПД современных трансформаторов очень высок (0,9÷0,95), то можно записать:

или ,

т.е. токи в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке обратно пропорциональны напряжениям на обмотках.

При работе трансформатора на нагрузку вводят понятие коэффициента нагрузки .

В современных трансформаторах при изменении нагрузки в пределах 0 < β ≤ 1 напряжение на выходе трансформатора изменяется на несколько процентов, что обеспечивает достаточную стабильность напряжения на приемниках энергии.

На каждом силовом трансформаторе большой мощности имеется щиток, на котором приведена маркировка трансформатора. Маркировка трансформатора производится в следующем порядке:

1) число фаз: О – однофазный; Т – трехфазный.

2) охлаждение: М – естественное масляное; Д – то же с дутьем; С – естественное воздушное.

3) особые свойства: А – алюминиевые обмотки; Н – с регулятором напряжения под нагрузкой; Э – для питания электропечей и т.д.

После буквенного шифра идут две цифры дробью, числитель которой выражает номинальную полную мощность (кВ∙А), а знаменатель номинальное высшее напряжение ВН (кВ), например, ТМН – 630/10; коэффициент трансформации указывается как отношение высшего напряжения к низшему в кВ: например, 110/35 или 10/0,4.

В данной работе снимаются характеристики трансформатора с разъёмным сердечником и сменными катушками. Номинальные параметры этого трансформатора приведены в табл. 4.1

Таблица 4.1

W	UH, B	IH, мА	R, Ом	SH, ВА
100	2,33	600	0,9	1,4
300	7	200	4,8	1,4
900	21	66,7	37	1,4