Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра прикладной химии и физики
Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 5
"Испытание однофазного трансформатора"
Уфа 2008
Печатается по решению Методического совета Уфимского государственного
нефтяного технического университета
Настоящие методические указания предназначены для студентов дневного,
вечернего и заочного отделений строительного факультета
и являются
руководством к лабораторной работе по испытанию однофазного
трансформатора. Здесь приведены краткие
теоретические сведения по
трансформаторам, изложены методика и порядок выполнения работы, даны
рекомендации по самостоятельной обработке результатов проведенных опытов.
Составители
РЯБИШИНА Л.А., преподаватель, к.т.н.
ГАРЕЕВ Г.Г., ст. преподаватель
Рецензент
ЖДАНОВ А.Г., доцент, к.т.н.
© Уфимский государственный нефтяной технический университет
2
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.Изучение устройства и принципа действия однофазного трансформатора.
2.Определение основных параметров трансформатора по данным опытов
холостого хода и короткого замыкания.
3.Построение схемы замещения трансформато-ра.
4.Снятие и построение основных эксплуатационных характеристик
трансформатора.
2.ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Установка, схема которой приведена на рис.1, включает в себя следующие
измерительные приборы и оборудование.
1.Испытуемый однофазный трансформатор (Тр) типа ОСО-0,25 с
номинальной мощностью Sном = 250 ВА и номинальным первичным напряжением
U1ном = 220 В.
2.Автотрансформатор регулировочный РНО-2 (регулятор напряжения
однофазный), через который осуществляется питание цепи с испытуемым
трансформатором. Включается в сеть с напряжением 220 В, регулирует напряжение
в пределах 0 – 250 В.
3.Комплект измерительных приборов К-50, содержащий измерительную
схему из многопредельных вольтметра (V1), амперметра (А1), и ваттметра (W1).
4. Нагрузочный реостат (сдвоенный) RH с полным сопротивлением 15 Ом и
максимальным током 10 А.
5.Вольтметр электромагнитный V2 типа Э59 с пределами измерения 75-150
В.
6.Амперметр электромагнитный А2 типа Э59 с пределами измерения 5-10 А.
7.Рубильник В для включения и отключения нагрузки и выполнения
короткого замыкания трансформатора.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Подготовиться к выполнению работы, изучив основные положения теории
трансформаторов (см. раздел 6, учебники, конспекты) и ответив на контрольные
вопросы (см. раздел 5).
2. Ознакомиться с трансформатором и установкой для его испытания.
Записать в отчет по лабораторной работе паспортные данные трансформатора и
технические характеристики приборов и оборудования.
3.Подготовить схему установки для проведения испытания трансформатора
в режиме холостого хода, для чего:
а) установить необходимые пределы измерения всех измерительных
приборов и определить для каждого прибора его цену деления;
б) разомкнуть выключатель нагрузки В;
в) установить рукоятку регулятора напряжения в положение, при котором
напряжение на его выходе отсутствует;
г) включить установку в сеть.
4. Выполнить опыт холостого хода, установив при помощи регулятора
напряжения на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U1ном
= 220 В. Показания всех приборов записать в табл.1.
Снять напряжение с трансформатора, установив рукоятку регулятора
напряжения в нулевое положение.
5. По результатам измерений определить:
а) коэффициент трансформации n;
б) потери мощности в стали Рст;
в) коэффициент мощности cos x
г) параметры R0, X0, Z0 ветви намагничивания в схеме замещения
трансформатора.
Значения этих величин записать в табл.1.
Таблица 1
U1ном
В
Измерено
U2x
Ix
В
А
Px
Вт
n
-
Pcm
Вт
Вычислено
cosφx
R0
Ом
X0
Ом
Z0
Ом
6.Подготовить установку для выполнения опыта короткого замыкания, для
чего:
а) проверить, установлена ли рукоятка регулятора напряжения в нулевое
положение;
б) замкнуть накоротко вторичную обмотку, поставив выключатель В в
положение “короткое замыкание”;
в) присоединить к зажимам первичной обмотки (параллельно вольтметру V1)
дополнительный вольтметр с меньшими, чем у вольтметра V1, пределами измерения
(до 75 В.).
7. Вычислить величину номинального первичного тока I1ном по известной
номинальной мощности трансформатора
Sном = U1ном ∙ I1ном
8.Выполнить опыт короткого замыкания, для чего, медленно поворачивая
рукоятку регулятора напряжения, установить на зажимах первичной обмотки такое
напряжение Ux (Ux<<U1ном!) при котором ток первичной обмотки будет равен
номинальному I1ном.
Показания измерительных приборов записать в таблицу 2.
Рукоятку регулятора напряжения установить в нулевое положение.
9.По результатам измерений рассчитать и записать в табл. 2:
а) коэффициент мощности cosφк ;
б) потери мощности в меди при номинальном режиме Pм ном;
в) напряжение короткого замыкания Uк;
4
г) сопротивления Rк , Zк , Хк трансформатора при коротком замыкании;
д) сопротивления R1 и Х1 первичной обмотки и приведенные сопротивления
R2 и X 2 вторичной обмотки.
Таблица 2
I1ном
Uк
Измерено
I2
Pк
А
В
Вт
А
Вычислено
cosφк
Pм ном
Uк
Rк
Хк
Zк
R1=
Х1=
-
Вт
%
Ом
Ом
Ом
Ом
Ом
R2
X 2
10.Испытать трансформатор в нагрузочном режиме. Для этого необходимо:
а) установить выключатель В в положение “нагрузка”;
б) движок реостата Rн поставить в положение, соответствующее
наибольшему сопротивлению;
в) при помощи регулятора напряжения установить на входе трансформатора
номинальное первичное напряжение U1ном = 220 В и в течение всего опыта
поддерживать его неизменным;
г) изменяя сопротивление Rн реостата нагрузки, испытать трансформатор
при следующих значения коэффициента нагрузки:

I2
I 2 ном
 0,25; 0,5;, 0,75; 1,0.
Значения вторичных токов I2 = β ∙ I2 ном предварительно рассчитать и
записать в табл.3.
I2 ном приближенно определяется из следующих соотношений:
S ном  S1ном  S 2 ном  U 2 ном  I 2 ном
I 2 ном 
S ном
S
 ном
U 2 ном U 2 x
Результаты измерений записать в таблицу 3.
ВНИМАНИЕ: по окончании опыта снять напряжение с трансформатора,
поставив рукоятку регулятора напряжения в нулевое положение, и отключить
установку в сети.
11. По результатам измерений рассчитать для каждого случая нагрузки:
а) мощность нагрузки P2 = U2∙I2∙cosφк (в данном опыте нагрузка активная и
cosφк = 1);
б) процентное изменение вторичного напряжения
U 
U 2x  U 2
 100 %
U 2x
в) потери мощности в меди (электрические потери в сопротивлении
обмоток)
Pм   2  Pк
5
г) суммарные потери трансформатора
д) к.п.д. трансформатора η;
е) коэффициент мощности cos  
P  P
ст
 Pм ;
P1
P1
.

S1 U 1  I 1
Результаты расчетов занести в таблицу 3.
Таблица 3
№
1
2
3
4
5
β
0
0,25
0,5
0,75
1,0
Измерено
Вычислено
U1
I1
P1
U2
I2
P2
∆U
Pм
Pcm
В
220
А
Вт
В
А
Вт
%
Вт
Вт
∑P
Вт
η
cosφ1
-
-
12.Построить в одной системе координат следующие характеристики
трансформатора в функции коэффициента нагрузки β:
U2 = f(β); P1= f(β); η = f(β); cosφ1 = f(β).
13.Начертить схему замещения трансформатора. Записать около каждого
элемента схемы его численное значение.
14.Сделать выводы о работе.
Рис.1. Схема испытания трансформатора
4. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет должен содержать:
1) Рабочую схему установки;
2) Перечень и технические характеристики использованного оборудования
и измерительных приборов;
3) Таблицы 1,2,3 с данными измерений и вычислений;
4) Расчетные формулы, по которым производились вычисления;
5) Графики U2, P1, η и cosφ1, построенные аккуратно с указанием
масштабов на осях координат;
6) Схему замещения трансформатора;
6
7)
Краткие выводы о работе.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. На каком физическом явлении основана работа трансформаторов?
2. Для чего нужно повышать и понижать напряжение?
3. По каким внешним признакам можно различить в трансформаторе
обмотки низшего и высшего напряжений?
4. Для чего нужно охлаждать работающий силовой трансформатор?
5. Какие напряжения на первичной и вторичной обмотках называются
номинальными?
6. С какой целью производят опыт холостого хода трансформатора?
7. Чем отличается испытательный режим короткого замыкания от
аварийного короткого замыкания?
8. Какие потери имеют место в трансформаторе и как они зависят от
нагрузки?
9. Почему с изменением нагрузки изменяется вторичное напряжение при
неизменности первичного?
10. Что такое схема замещения трансформатора, для чего ее составляют?
11. При каких нагрузках трансформатор работает с наименьшими
экономическими показателями (η, cosφ)?
6. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Трансформатором называется электромаг-нитный аппарат, преобразующий
переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же
частоты.
Если трансформатор повышает напряжение, он называется повышающим,
если понижает - понижающим.
Трансформаторы, которые применяются в сетях передачи и распределения
электроэнергии, называются силовыми.
Работа
трансформатора
основана
на
использовании
явления
электромагнитной индукции, ее частного случая – взаимной индукции.
Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника,
собранного из листовой электротехнической стали, на котором расположены две
независимые обмотки, выполненные медным изолированным проводом. Обмотка,
которая присоединяется к источнику преобразуемого напряжения, называется
первичной; другая обмотка, в которой наводится э.д.с. взаимоиндукции, вторичной. Все величины, которые относятся к этим обмоткам (токи, напряжения,
э.д.с. и т.п.) называются соответственно первичными и вторичными.
Принципиальная схема трансформатора приведена на рис.2.
7
Рис.2. Принципиальная схема трансформатора
Под действием подведенного переменного напряжения U1 в первичной
обмотке возникает ток i1, и в сердечнике возбуждается переменный магнитный
поток Ф. Этот поток индуктирует э.д.с. самоиндукции e1 и э.д.с. взаимной индукции
е2 в обмотках трансформатора. Э.д.с. е1
уравновешивает часть входного
напряжения U1, а э.д.с. е2 создает напряжение U2 на выходе трансформатора. При
подключении нагрузки во вторичной обмотке возникает ток i2, - из первичной цепи
во вторичную передается электрическая энергия. Так как обмотки электрически не
связаны, то эта передача происходит электромагнитным путем, т.е. посредством
магнитного потока Ф.
Потоки рассеяния обуславливают наличие индуктивных сопротивлений
обмоток Х1 и Х2. Обмотки характеризуются также активными сопротивлениями R1
и R2 . Числа витков первичной и вторичной обмоток ω1 и ω2 соответственно.
Основной характеристикой трансформатора является коэффициент
трансформации n, показывающий, во сколько раз трансформатор изменяет
напряжение:
n
U1
.
U 2x
Здесь U1 – действующее значение первичного напряжения,
U2x – действующее значение вторичного напряжения
отключенной нагрузке (холостом ходе).
Так как U1  E1  4,44 f1Фm , а U 2  E1  4,44 f 2Фm , то
n
при
U1
E

 1  1.
U 2 x E2  2
Отношение напряжений примерно равно отношению чисел витков.
Здесь E1 и Е2 – действующие значения э.д.с., индуктированных в обмотках;
Фm – амплитуда рабочего потока;
f – частота преобразуемого напряжения.
Если
пренебречь потерями мощности, которые в трансформаторе
относительно невелики, то можно считать, что мощность, подведенная к
трансформатору, примерно равна мощности нагрузки: S1 ≈ S2 или U1I1≈U2I2
.Следовательно:
8
I 1 U 2 w2 1



I 2 U 1 w1 n
т.е., если напряжение повышается, то ток в такой же степени понижается, и
наоборот.
Каждый трансформатор характеризуется следующими номинальными
величинами:
номинальной мощностью Sном , кВА;
номинальным первичным напряжением U1 ном , В;
номинальным вторичным напряжением U2 ном , В, которое определяется
при разомкнутой вторичной обмотке, т.е. при I2 = 0.
Номинальные токи определяются из соотношений:
I 1ном 
I 2 ном
S ном
;
U 1ном
S
 ном (без учета потерь)
U 2 ном
вызывает появление
Включение нагрузки Zn в цепь вторичной обмотки
вторичного тока I2 и увеличение первичного тока I1 . В результате создаются потери
напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях обмоток и вторичное
напряжение снижается:
U2 < U2x = U2 ном
Нагрузку трансформатора принято оценивать коэффициентом нагрузки:

I2
I 2 ном
.
Зависимость U2 = f(I2) или U2 = f(β) при U1 = const и неизменном характере
нагрузки называется внешней характеристикой трансформатора. Из приведенных на
рис.3 внешних характеристик видно, что величина вторичного напряжения зависит
не только от величины тока нагрузки I2 , но и от коэффициента мощности (cosφ)
электроприемников. Очевидно, что наименьшие значения соответствуют чисто
активной нагрузке (cosφ = 1, φ2 = 0). Об изменении вторичного напряжения судят по
величине процентного его изменения:
U 
U 2x  U 2
 100 %
U 2x
Как элемент электрической цепи трансформатор можно представить
эквивалентной электрической схемой (схемой замещения), состоящей из активных и
индуктивных сопротивлений (см. рис.4.):
R1, X1 и Z 1  R12  X 12 активное, индуктивное и полное сопротивления первичной обмотки;
R2 , X 2 и Z 2  R2 2  X 2 2 активное, индуктивное и полное сопротивления вторичной обмотки;
R0 , X0 и Z 0  R02  X 02 активное, индуктивное и полное сопротивления ветви намагничивания;
9
Rн , X н и Z н  Rн 2  X н 2 -
активное, индуктивное и полное сопротивления нагрузки.
Схемы замещения применяются при расчетах цепей с трансформаторами.
Рис.4. Схема замещения трансформатора.
Сопротивления элементов схемы определяют экспериментально из опытов
холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Опыт холостого хода
производят при U1 = U1 ном и разомкнутой вторичной обмотке – I2 = 0.
Измеряют:
I1x – ток холостого хода.
Px – мощность холостого хода.
U2x = U2 ном – номинальное вторичное напряжение.
Входное сопротивление трансформатора в режиме холостого хода равно
(см.рис.4.):
Zвх 
U1ном

Iх
R1  R0 2   X 1  X 0 2
 R02  X 02  Z 0 .
Так как R0 >> R1 и Х0 >> X1 , то значениями R1 и X1 можно пренебречь.
Следовательно,
Z0 
U 1ном
;
Iх
R0  Z 0 cos  x 
Px
;
I x2
X 0  Z 0 sin  x  Z 02  R02 .
Коэффициент мощности трансформатора при холостом ходе
cos  x 
Px
Px
.

S ном U 1ном  I x
По результатам опыта холостого хода определяют коэффициент
трансформации
n
U 1ном
.
U 2x
Мощность Px , потребляемая трансформатором в этом режиме, равна:
Pх  I x2 R1  Pст  Pст ,
10
т.е. представляет собой потери в стали при номинальном первичном
напряжении U1 ном . Эти потери не зависят от нагрузки трансформатора и
называются постоянными.
Опыт короткого замыкания производится при закороченной вторичной
обмотке (Zн = 0, U2 = 0) и таком пониженном первичном напряжении U1 = Ux , при
котором токи в обмотках равны номинальным – I1 ном и I2 ном.
Не следует путать опыт короткого замыкания с аварийным коротким
замыканием при номинальном первичном напряжении U1 ном, когда токи в обмотках
возрастают в десятки раз.
Напряжение Uк обычно выражают в процентах от номинального первичного
напряжения U1 ном:
Uк 
Uк
*100 %
U 1ном
и называют напряжением короткого замыкания.
Так как обычно Uк << U1 ном (Uк = 5…10%) то пропорциональный
напряжению магнитный поток Ф имеет небольшую величину, а вызываемые им
потери в сердечнике незначительны. Можно считать, что мощность при коротком
замыкания расходуется только на нагрев обмоток, т.е. равна потерям в меди при
номинальном режиме:
Pк  I12ном R1  I 22ном R2  Pм ном
Входное сопротивление трансформатора в опыте короткого замыкания равно
(см.рис.4)
Z в х.к 
Uк

I1ном
ГДЕ
R1  R2 2   X 1  X 2 2
 Rк2  X к2  Z к ,
ZК ,RK ,XK - сопротивления (параметры) короткого замыкания.
Rк 
Pк
I12ном
 Z к cos  к ,
X к  Z к2  Rк2  Z к sin  .
С достаточной точностью можно считать, что
R1  R 
Rк
,
2
X 1  X 2 
Xк
.
2
Коэффициент мощности
cos  к 
Коэффициент полезного
Pк
Pк

S к U к  I1ном
действия трансформатора

P2
P1
где P2  U2 I 2 cos2 - активная мощность нагрузки; P1  U1I1 cos 1 - активная
мощность, потребляемая трансформатором от источника (или от сети).
11
В данном случае cos 1 
P1
P
 1.
U1I1 S1
Как видно иЗ приведенных формул, к.п.д. можно определить опытным
путем, измерив соответствующие точки напряжения и МОЩНОСТИ. Однако такой
прямой метод определения к.п.д. допустим только для трансформаторов малой
мощности, у которых имеется значительная разность между подводимой и
отдаваемой мощностями.
В других случаях более точный результат дает косвенный способ - по
данным опытов холостого хода и короткого замыкания:

P2
Sном cos2

P2   p Sном cos 2  Pх   2 Pк
где β - коэффициент нагрузки трансформатора;
∑P - суммарные потери в трансформаторе, состоящие из потерь в стали и
потерь в меди;
SНОМ - номинальная мощность трансформатора;
cosφ - коэффициент мощности нагрузки;
Pх и Pк- мощности, потребляемые трансформатором в опытах
холостого хода и короткого замыкания соответственно.
Эксплуатационные, свойства однофазного трансформатора, работающего
при переменной нагрузке, определяются его характеристиками:
U2 = f(β); η = f(β); cosφ1 = f(β); I=f(β).
при неизменном первичном напряжении и постоянном коэффициенте мощности
(cosφ2) нагрузки. Эти характеристики строятся по экспериментальным данным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Немцов М. В. Электротехника и электроника. – М.: МЭИ. 2003.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника.–М.: Высшая школа. 2000.
12
СОДЕРЖАНИЕ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Цель работы………………………………………………….3
Описание установки…………………………………………3
Порядок выполнения работы……………………………….3
Требования к отчету…………………………………………6
Контрольные вопросы……………………………………….7
Основные теоретические положения………………………7
Литература…………………………………………………..12
13