Лабораторная работа №7 Исследования однофазного трансформатора I. Цель работы

Лабораторная работа №7
«Исследования однофазного трансформатора»
I. Цель работы:
ознакомиться с устройством и принципом действия однофазного
двухобмоточного трансформатора и исследовать его работу в режиме
холостого хода и под нагрузкой.
II. Основные теоретические положения
На современной строительной площадке и предприятиях строительной индустрии имеется
большое количество потребителей электрической энергии: землесосные снаряды и экскаваторы,
используемые на земляных работах; башенные краны, подъемники лифты, сварочные аппараты,
насосы, установки подогрева бетона, грунта, каменные конструкции, компрессоры, вентиляционные установки, электрифицированный ручной инструмент, которые находят применение
на строительно-монтажных работах. Коммунально-бытовые объекты строительства оснащены
электрокалориферами, сушилками, электропечами. Территория строительства освещается
люминесцентными лампами накаливания. Значительное количество электроэнергии потребляется заводами сборного железобетона, бетонными, арматурными, камнедробильными и
лесозаводами, ремонтно-механическими мастерскими, гаражами, насосными системами
коммунального водоснабжения, сооружениями канализации.
Основным родом тока большинства потребителей энергии на отмеченных выше объектах
является переменный ток напряжением 10000, 6000, 3000, 660, 380, 220, 127, 60, 36, 12 В.
Электроснабжение предприятий строй-индустрии и стройплощадок в целом осуществляется, как
правило, с помощью высоковольтных электрических сетей, передающих электроэнергию при
напряжениях 220000, 150000, 110000, 35000, 20000, 10000, 6000 В.
Поэтому важнейшими системами электроснабжения являются статические магнитные
аппараты. Трансформаторы - это устройства, преобразующие электрическую энергию
переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения при
неизменной частоте. С их помощью увеличивают напряжение в месте производства
электроэнергии, что обеспечивает ее передачу на дальние расстояния с малыми потерями.
Однофазный трансформатор изобрел русский ученый Павел Николаевич Яблочков,
который в 1876 г. впервые использовал катушку индуктивности с двумя обмотками для питания
изобретенных им электрических свечей.
Выдающийся русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г.
предложил трехфазную систему переменного тока и разработал первый трехфазный
трансформатор. Российское трансформаторо-строение - это и сегодня крупнейшая отрасль
электротехнической промышленности, последними достижениями которой являются уникальные
трансформаторы мощностью 1000 MB А и напряжением до 1050 кВ.
Однофазный двухобмоточный трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного
сердечника, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором размещены две
обмотки, выполненные из изолированного провода, и электрически не связанные между собой.
Обмотка, присоединяемая к источнику питания, называется первичной, а другая, к которой
подключается потребитель (нагрузка), - вторичной.
Переменное напряжение U1 подводимое к первичной обмотке, создает в ней небольшой ток
I1 который в свою очередь образует переменное магнитное поле. Это поле усиливается в тысячи раз
за счет магнитных свойств сердечника. Переменный магнитный поток образовавшегося поля Ф
почти весь замыкается по сердечнику и пронизывает все витки двух обмоток. Вследствие
периодического изменения потока Ф в обеих обмотках трансформатора наводятся переменные ЭДС,
значения которых определяют по закону электромагнитной индукции:
Действующие значения этих ЭДС можно найти из соотношений:
(2)
где W1, W2 - соответственно число витков первичной и вторичной обмоток;
Фм - амплитудное значение магнитного потока;
f - частота переменного тока.
Если на первичную обмотку подано напряжение U1, а ко второй - нагрузка не подключена, то
тока I2 в ней нет, а напряжение на ее зажимах U2 численно равняется наведенной в обмотке ЭДС Е2.
Такой режим называется режимом холостого хода трансформатора и позволяет получить данные
для К, тока холостого хода первичной обмотки I10 и потерь электрической мощности в стали Рст.
Коэффициентом трансформации К называется отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной
обмотки при холостом ходе трансформатора:
Поскольку в режиме холостого хода тока во вторичной обмотке нет, а ток первичной обмотки
I10 оказывается незначительным в сравнении с его номинальным (паспортным) значением, то
потеря электрической мощности на нагрев медного провода двух обмоток Рм ничтожно малы.
Поэтому потребляемая трансформатором от источника питания электрическая мощность идет на
покрытие потерь в стали сердечника Рст. Эти потери Рст определяются затратами мощности на
перемагничивание сердечника (потери на гистерезис) и нагрев его вихревыми токами.
Холостой ход трансформатора характеризуется низким значением коэффициента мощности –
соsφ10. Поэтому длительная работа трансформатора в этом режиме недопустима.
Если на первичную обмотку подано напряжение U1, а ко вторичной -подключена нагрузка
(режим нагрузки), то в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, и на зажимах приемника
устанавливаются напряжение
где Z2 - полное сопротивление вторичной обмотки.
Зависимость величин напряжения U2 от тока I2, проходящего по вторичной обмотке и по
нагрузке, называется внешней характеристикой (рис.1) и снимается экспериментально при
постоянном характере нагрузки (cos φ2 = const, U1 = const, f = const).
Работа трансформатора под нагрузкой характеризуется коэффициентом полезного действия г] и
коэффициентом мощности coscpb которые зависят от характера и величин нагрузки (рис.2).
Коэффициент полезного действия η представляет собой отношение величины активной
мощности Р2, отдаваемой трансформатором нагрузки, к величине активной мощности Р1
подводимой к трансформатору от источника питания:
Максимальный КПД соответствует нагрузке, при которой потери мощности стали Рст и меди Рм
одинаковы.
Благодаря отсутствию вращающихся частей (трансформатор является статическим аппаратом)
коэффициент полезного действия может достигать значений 95%.
III. Меры безопасности при подготовке и проведении работы
1. Перед сборкой схемы необходимо убедиться в отсутствии напряжения в зажимах сети.
2. Включить схему можно только с разрешения преподавателя.
3. При проведении эксперимента запрещается:
 самостоятельно изменять электрическую схему;

касаться зажимов трансформатора, приборов и проводников цепи, находящихся под
напряжением, делать переключения в схеме;

оставлять трансформатор включенным без надзора.
4. После окончания работы необходимо отключить стенд, и после разрешения преподавателя
разобрать схему.
IV. Порядок выполнения работы
1. Изучить конструкцию и принцип действия однофазного трансформатора и записать отчет в его
паспортные данные.
2. Собрать схему в соответствии с рис.3 и дать проверить ее преподавателю или учебному мастеру.
3. Провести опыт холостого хода, подключив напряжение сети к первичной обмотке
трансформатора с помощью рубильника Р1. Цепь вторичной обмотки должна быть при этом
разомкнута (тумблеры Р2÷Р6 должны стоять в положении «ВЫКЛ»).
4. Записать в таблице показания приборов и вычисления значений коэффициента трансформации К
(3) и коэффициента мощности:
где Р10, U10, I10 - значения мощности, напряжения и тока на первичной обмотке в режиме
холостого хода.
5. Включая по одному тумблеру Р2÷Р6, увеличивать ступенчато ток (нагрузку) во вторичной обмотке
трансформатора и записывать для каждой ступени показания приборов в таблицу.
6. Для каждой ступени нагрузки вычислить и записать в таблицу значения
а) коэффициента мощности трансформатора
cosφ1=P1÷(U1∙I1)
б) активной мощности, потребляемой нагрузкой
в) коэффициента полезного действия трансформатора
г) изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора
где U20 - напряжение на вторичной обмотке трансформатора, работающего в режиме холостого хода .
Результаты измерений
№
опыта U1,B
Измерено
I1,A Р1,Вт U2,B
I2,А
Cosφ1
и расчетов
Вычислено
Р2,Вт η, % ΔU2, % К
7.По полученным данным построить в масштабе внешнюю характеристику трансформатора U2 = f (I2),
зависимости η = f (I2), cosφ1 = f (I2).
8.По результатам работы сделать выводы о характере изменения напряжения на зажимах вторичной
обмотки трансформатора U2, η и cosφ1 при увеличении нагрузки.
V. Контрольные вопросы и задания
1. * Какие потребители электроэнергии, использующиеся в строительстве, Вы знаете?
2. Какое устройство называется трансформатором?
3. Назовите изобретателей однофазного и трехфазного трансформаторов.
4. * Сформулируйте закон электромагнитной индукции. От чего зависят мгновенные (e1 и е2) и
действующие значения (E1 и Е2) ЭДС, наведенных в обмотках трансформатора?
5. Объясните устройство и принцип действия однофазного трансформатора.
6. Что называется коэффициентом трансформации? Как он определяется?
7. *Как осуществляется опыт холостого хода? Что определяется из этого опыта?
8. Как осуществляется опыт короткого замыкания? Что из этого опыта определяется?
9. Расскажите о коэффициенте полезного действия трансформатора. Какие виды потерь Вы знаете?
10. Как определяется коэффициент мощности трансформатора (cosφ1)? Как
он изменяется с ростом нагрузки?
11. Расскажите о внешней характеристике трансформатора.
12. *Опишите порядок выполнения лабораторной работы.
Примечание. * Ответы на вопросы, помеченные таким знаком, студенты должны знать перед проведением
лабораторной.