Основні теоретичні відомості. Лабораторна робота №1 Дослідження однофазного трансформатора Лабораторна робота №2 Дослідження трифазного асинхронного двигуна з

З М І С Т

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Дослідження однофазного трансформатора

Мета роботи

1 Вивчити будову і принцип дії однофазного трансформатора.

2 Вибрати контрольно-вимірювальні прилади для проведення дослідів.

3 Визначити коефіцієнт трансформації та значення напруги короткого замикання.

4 Визначити параметри Т-подібної заступної схеми трансформатора.

5 Побудувати характеристики трансформатора у функції вторинного струму.

Основні теоретичні відомості

Трансформатор – це статичний електромагнітний апарат, призначений для підвищення або зниження синусоїдної напруги за допомогою магнітного потоку, при незмінній частоті.

Трансформатори поділяють:

- за кількістю фаз – однофазні, трифазні, багатофазні;

- за типом охолодження – сухі (повітряні), масляні;

- за функціональним призначенням – силові, автотрансформатори, зварювальні, для живлення індукційних печей, радіоелектронної апаратури, для медичних цілей, тощо.

На рисунку 1.1 зображена електромагнітна схема однофазного трансформатора.

Рисунок 1.1 - Схема однофазного трансформатора

Трансформатор складається із замкнутого осердя (магнітопроводу), яке набирають з окремих пластин електромагнітної сталі завтовшки 0,25 ÷ 0,5 мм, ізольованих між собою шаром спеціального лаку. На магнітопроводі розташовані дві незалежні обмотки, виконані мідним ізольованим провідником. Використання феромагнітного магнітопроводу дозволяє підсилити електромагнітний зв’язок між обмотками, тобто зменшити магнітний опір контура, вздовж якого проходить магнітний потік трансформатора.

Обмотка трансформатора, яка під’єднується до мережі живлення, називається первинною і відповідно є первинними всі величини, які відносяться до цієї обмотки – напруга, струм, електрорушійна сила (ЕРС), кількість витків (u₁, i₁, e₁,w₁). Обмотку до якої під’єднують навантаження (приймач електричної енергії) називають вторинною, та її параметри – вторинними (u₂, i₂, e₂,w₂). Електрична енергія змінного струму від первинної обмотки до вторинної обмотки передається магнітним потоком.

На кожному трансформаторі розташований щиток або табличка, де вказані: номінальна потужність, лінійні напруги, лінійні струми при номінальній потужності, частота, кількість фаз, схема і група з’єднань, напруга короткого замикання, режим роботи (довготривалий або короткочасний), спосіб охолодження.

Робота трансформатора базується на явищі електромагнітної індукції. При під’єднанні первинної обмотки до синусоїдної напруги u₁=U_1msinωt (рисунок 1.1), струм i₁ також змінюється за законом синуса. Змінний струм i₁, протікаючи витками первинної обмотки, збуджує синусоїдний магнітний потік Ф=Ф_msinωt, основна (робоча) частина якого замикається в магнітопроводі. Незначна частина магнітного потоку, лінії якого замикаються повітрям навколо обмоток, називається потоком розсіювання Фр. Основний магнітний потік Ф індукує в первинній та вторинній обмотках трансформатора ЕРС, діючі значення яких визначають за формулами:

E₁=4.44fw₁Ф_m; E₂=4.44fw₂Ф_m,

де w₁,w₂ – відповідно кількість витків у первинній та вторинній обмотках;

Ф_m – амплітудне значення основного магнітного потоку;

f – частота змінного струму.

При умові, що U₁>U₂ трансформатор називають понижувальним, а якщо U₁<U₂ – тоді підвищувальним.

Під’єднавши первинну обмотку трансформатора до джерела змінної напруги, на затискачах вторинної обмотки індукується змінна ЕРС і вторинна обмотка є джерелом живлення, до якої можна під’єднати споживачі електричної енергії.

Трансформатор конструктивно виконаний таким чином, що при зміні навантаження струм у первинній обмотці змінюється пропорційно до зміни струму у вторинній обмотці.

Режим роботи трансформатора, при якому на первинну обмотку подається номінальна напруга, а вторинна обмотка розімкнута, називається неробочим режимом. При цьому U₁=U_1н , I₂=0, U₂₀=E₂₀=U_2н. Струм I₁= I₀= (4÷6)%I_1н, а тому можна вважати, що U₁≈ E₁.

Відношення номінального значення вищої напруги до номінального значення нижчої напруги в неробочому режимі, або відношення кількості витків відповідних обмоток, називається коефіцієнтом трансформації:

.

Якщо замкнути вимикач SA₁ (рисунок 1.1), то до вторинної обмотки трансформатора буде під’єднане навантаження з опором Zнав. Такий режим роботи трансформатора називається режимом навантаження і у вторинному колі протікатиме струм I₂. Рівняння для первинного і вторинного кіл трансформатора за другим законом Кірхгофа в комплексній формі:

де , - комплексні значення спадів напруг на активних опорах відповідно первинної та вторинної обмоток;

, - комплексні значення спадів напруг на первинній та вторинній обмотках, викликані наявністю ЕРС розсіювання і , які індукуються відповідними магнітними потоками розсіювання та (, ).

Магнітний стан в магнітопроводі трансфороматора характеризується рівнянням намагнічуючих сил:

.

Залежність U₂=f(I₂) при U₁=const, cos φ₂=const, f=const називається зовнішньою характеристикою трансформатора (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Зовнішні характеристики трансформатора при:

1 – активно-ємнісному навантаженні, cos φ₂<0;

2 – активному навантаженні, cos φ₂=1;

3 – активно-індуктивному навантаженні, cos φ₂>0.

Відносна зміна вторинної напруги трансформатора визначається за формулою:

,

де - номінальна напруга на вторинній обмотці трансформатора в неробочому режимі;

- напруга на вторинній обмотці трансформатора в режимі навантаження.

Режим роботи трансформатора, при якому вторинна обмотка замкнута накоротко (Zнав=0) називається режимом короткого замикання. Цей режим роботи трансформатора є аварійним, при якому передбачений захист, що від’єднує трансформатор від мережі живлення.

Експлуатаційні властивості трансформатора визначаються його наступними характеристиками (рисунок 1.3):

I₁=f₁(I₂); U₂=f₂(I₂); cos φ₁=f₃(I₂); η=f₄(I₂),

при U₁=const, f=const, cos φ₂=const.

Рисунок 1.3 – Експлуатаційні характеристики трансформатора

В трансформаторі мають місце втрати потужності в сталі Рст, які дорівнюють активній потужності в неробочому режимі (Рст=Р₀), та втрати потужності в міді Рм (обмотках трансформатора), які дорівнюють активній потужності в режимі короткого замикання (Рм=Рк).

Коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) трансформатора визначається за формулою:

,

де S_н – повна номінальна потужність трансформатора;

- коефіцієнт навантаження;

- коефіцієнт потужності навантаження.

Т-подібна заступна схема трансформатора приведена на рисунку 1.4

Рисунок 1.4 - Т-подібна заступна схема трансформатора

Заступна схема трансформатора описується рівняннями електричного стану первинної і вторинної обмоток та рівнянням струмів:

;

.

Значення параметрів заступної схеми трансформатора визначають за наступними формулами:

; ; ;

; ;

; ; ;

; ; ,

де - відповідно напруга, струм і потужність в неробочому режимі трансформатора;

- відповідно напруга, струм і потужність в режимі короткого замикання трансформатора;

- опір контура намагнічення, який визначається з умови: .