ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы – изучение устройства и принципа действия, характеристик и методов исследования однофазных трансформаторов.

Основные теоретические положения

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток, охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного материала (рис. 3.1). Трансформатор, не имеющий сердечника, называют воздушным или линейным. Обмотка трансформатора, соединённая с источником питания , называется первичной, а обмотка, к которой подключается потребитель электроэнергии , называется вторичной. Параметры, относящиеся к первичной обмотке, обозначаются индексом 1, например, , , , а относящиеся к вторичной обмотке, соответственно, индексом 2.

Рис. 3.1

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции (взаимоиндукции). Явление взаимной индукции состоит в наведении ЭДС в индуктивной катушке при изменении тока в другой катушке. Под воздействием переменного тока в первичной обмотке в магнитопроводе создаётся переменный магнитный поток

,

пронизывающий первичную и вторичную обмотки и индуцирующий в них ЭДС

;

.

где и - амплитудные значения ЭДС.

Действующие значения ЭДС в обмотках равны

; .

Отношение ЭДС обмоток называется коэффициентом трансформации

.

Если > 1, то вторичная ЭДС меньше первичной, и трансформатор называется понижающим, при < 1 – трансформатор называется повышающим.

При работе трансформатора в режиме холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута, = 0. Ток первичной обмотки , называемый током холостого хода или током намагничивания, составляет примерно 2,5…10 % от номинального тока первичной обмотки.

Схема замещения трансформатора

В реальном трансформаторе, в отличие от идеального, учитываются активные сопротивления обмоток, магнитные потоки рассеяния обмоток и потери мощности.

На рис. 3.2 приведена схема замещения трансформатора, в которой и - активные сопротивления обмоток, и - индуктивные сопротивления от потоков рассеяния.

Рис. 3.2

Согласно второму закону Кирхгофа, уравнения для первичных и вторичных цепей в комплексной форме имеют вид

;

.

Электрические цепи с трансформаторами сложно рассчитывать из-за магнитной связи между обмотками. Поэтому трансформатор представляют схемой замещения, в которой магнитная связь заменяется электрической цепью. С этой целью обе обмотки «приводят» к одинаковому числу витков, обычно к числу витков первичной обмотки. Приведённые параметры вторичной цепи обозначают буквами со штрихом. Так как считаем, что , то

.

Равенство ЭДС первичной и вторичной обмоток позволяет объединить их электрические цепи в общую цепь (рис. 3.3).

Рис. 3.3

Общий участок цепи называют ветвью намагничивания. В ней - активное сопротивление, учитывающее потери мощности на перемагничивание сердечника и вихревые токи, - реактивное сопротивление, обусловленное основным магнитным потоком. Токи связаны соотношением

.

Если пренебречь током холостого хода и удалить из схемы ветвь намагничивания, то получим упрощённую схему замещения (рис. 3.4 а), а с учётом и - схему (рис. 3.4 б). Такие схемы используют при нагрузке, близкой к номинальной.

а)

б)

Рис. 3.4

Опытное определение параметров схемы замещения

Трансформатора

Параметры схемы замещения и основные параметры трансформатора можно определить по опытам холостого опыта и короткого замыкания.

В опыте холостого хода (рис. 3.5 а) вторичная обмотка разомкнута, а к первичной обмотке подводится номинальное напряжение. Измеряются в первичной цепи напряжение , ток холостого хода , мощность - потери в магнитопроводе, и напряжение на вторичной обмотке . Так как ток холостого хода мал, то потерями мощности в обмотках можно пренебречь, и считать показание ваттметра равным потерям в магнитной цепи.

По результатам опыта определяют полное, активное и индуктивное сопротивление холостого хода и cosφ₀:

.

Коэффициент трансформации .

При этом сопротивления холостого хода примерно равны сопротивлениям намагничивающей ветви: , , .

а) б)

Рис. 3.5

При проведении опыта короткого замыкания (рис. 3.5 б) вторичная обмотка замкнута накоротко, к первичной обмотке подводится такое напряжение, чтобы в первичной и вторичной обмотке протекали номинальные токи. Измеряются в первичной цепи напряжение короткого замыкания , ток , мощность . Подводимое напряжение мало, поэтому мал и магнитный поток. Значит, магнитными потерями можно пренебречь, считая показания ваттметра равными электрическим потерям в обмотках. Так как » и » , ветвь намагничивания можно не учитывать, используя упрощённую схему замещения (рис. 3.4 б).

По результатам опыта короткого замыкания определяют следующие параметры:

.

Обычно считают, что ; .