Лабораторная работа № 6
Однофазный трансформатор

1. Цель работы

Ознакомиться с конструкцией и паспортными данными трансформатора, снять его внешнюю характеристику, исследовать в опытах холостого хода (ОХХ) и короткого замыкания (ОКЗ), по результатам эксперимента определить основные параметры трансформатора.

2. Описание виртуальной лабораторной установки

Объектом исследования является однофазный трансформатор. Паспорт трансформатора приведен в форме, рядом с панелью измерительных приборов (такой же паспорт имеется на корпусе любого трансформатора). Типовые эксперименты, которые проводят с трансформаторами — ОХХ и ОКЗ — характерны тем, что фиксируемые величины отличаются на два порядка и более. По этой причине используемые приборы имеют переключатель диапазонов. Упомянутая уже форма позволяет настраивать параметры регулируемого источника и нагрузки для проведения опытов. В реальной ситуации неправильный выбор диапазонов, величин питающего напряжения и нагрузки приводят к выходу из строя приборов, трансформатора или срабатыванию защиты. При проведении ОКЗ во вторичной цепи ни когда не устанавливают амперметр — это приводит к падению напряжения на нем (до 75 мВ) и появлению погрешности. Поэтому нет смысла устанавливать в форме величину нагрузки равной нулю. Достаточно установить флаг замкнутого состояния ключа S. Для организации режима холостого хода трансформатора следует установить большое сопротивление нагрузки, сравнимое с утечками в изоляции Rн = 1e7. По сценарию эксперимента снятия внешней характеристики (ВХ), на вторичной обмотке трансформатора фиксируют падение напряжения, см. прибор PV2. Трансформаторы обладают жесткой ВХ, поэтому показания почти не меняются. Для их фиксации используют не шкальные, а цифровые измерительные приборы. В данной лабораторной показания прибора PV2 можно уточнить в цифровой форме — см. панель приборов.

3. Расчетное задание

3.1. Установить паспортные данные трансформатора, воспользовавшись приведенной ниже формой.

3.2. По паспортным данным трансформатора рассчитать его номинальные первичный I1 и вторичный I2 токи, номинальный коэффициент трансформации n.

3.3. Приняв площадь поперечного сечения магнитопровода трансформатора равной S = 12 см2 и амплитуду индукции в нем Bm = 1,8 Т, определить числа витков обмоток трансформатора. При расчете, пренебрегая величинами второго порядка малости, можно считать ЭДС равными номинальным напряжениям обмоток. Частота напряжения сети 50 Гц.

 Паспорт Тр 
 U1:  В
 U2:  В
 S:  ВА
 f:  Гц
 
 Параметры схемы 
 E:   В
 Rн:  Ом
 Ключ S: (Вкл)
  
Панель измерительных приборов Диапазоны
PW1:  10 200 Вт
PV1:   15 250 В
PA1:   0,2 1 А
PV2:   <- уточнить
PA2:  

Памятка автора-разработчика: схема замещения трансформатора

Учебная электрическая схема для исследований трансформатора в рабочем режиме, в ОХХ, в ОКЗ

4. Экспериментальная часть

Убедится, что ваш вариант паспорта трансформатора установлен в форме правильно.

4.1. Снять вольтамперную характеристику катушки со стальным сердечником. Такой катушкой является трансформатор при разомкнутом контуре нагрузки (Rн = 1e7). В ходе эксперимента нужно снять 5..6 точек, меняя напряжение от 0 до 210 В, и, столько же, для диапазона от 210 до 250 В. Обратить внимание на диапазон изменения тока в эксперименте. Если предел амперметра будет выбран неправильно, измерения будут иметь большую погрешность. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1
U, В  
I, А  

4.2. Исследовать трансформатор в рабочем режиме — снять внешнюю характеристику. Для этого установить на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение, и, изменяя величину нагрузочного сопротивления Rн, произвести 5..6 измерений при различных по величине токах нагрузки (в диапазоне от 0 до I2 ном). При фиксировании показаний прибора PV2 следует пользоваться имеющейся возможностью их уточнения (представлением показаний в цифровой форме). Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2
Измерено Вычислено
сторона НН сторона ВН
I2, А U2, В U1, В I1, А P1, Вт P2, Вт cos φ1 η
               

4.3. Исследовать трансформатор в режиме холостого хода. Режим холостого хода имеет место при I2 = 0 А. Данные этого режима взять из таблицы 2 и занести их в таблицу 3. Обязательно проверьте какие пределы приборов были использованы в опытах с малой нагрузкой (в режиме ХХ). В случае если выбор пределов был неверен, повторите соответствующие эксперименты, уточните показания.

Таблица 3
Измерено Вычислено
U1, В I10, А P10, Вт U20, В Z0, Ом R0, Ом X0, Ом cos φ10 n I10, %
                   

4.4. Исследовать трансформатор в опыте короткого замыкания. В управляющей форме следует установить флаг замыкания ключа S. Исходя из того, что в опыте короткого замыкания устанавливается номинальный первичный ток, а напряжение короткого замыкания не превышает 5..10 % от U1ном, выбрать пределы измерения приборов. Выполнить серию пробных экспериментов, цель которых состоит в том, чтобы подобрать такое напряжение U, чтобы ток в первичной обмотке стал номинальным. Показания приборов для конечного результата занести в таблицу 4.

Таблица 4
Измерено Вычислено
U, В I, А P, Вт Zк, Ом Rк, Ом Xк, Ом cos φк U, % I1к ав, А
                 

5. Обработка результатов эксперимента

5.1. По результатам п.4.1 построить вольтамперную характеристику.

5.2. Построить внешнюю характеристику трансформатора U2(I2) (табл. 2). С достаточной точностью характеристика аппроксимируется прямой линией. Отметить точку, соответствующую номинальному току, и рассчитать для нее потерю напряжения в трансформаторе ΔU2 = 100(U20 - U2) / U20 [%], где U20 - напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода.

5.3. Рассчитать и построить рабочие характеристики трансформатора η = (P2) и cos φ1 = f (P2). При расчете P2 учесть, что нагрузка трансформатора при исследованиях была чисто активной (cos φ2 = 1).

5.4. Используя результаты измерений в опытах холостого хода и короткого замыкания (табл. 3 и 4) и паспортные данные трансформатора, рассчитать его КПД при номинальной чисто активной нагрузке: ηн = P / (P + P0 + Pк). Учесть, что в данном случае P = U I.

5.5. По результатам ОХХ (табл. 3) вычислить параметры (Z0, R0, X0, cos φ10) для "Г"-образной схемы замещения трансформатора, коэффициент трансформации n = U1 / U2 и относительную величину (в процентах) тока холостого хода I10 = 100 I10 / I [%].

5.6. По результатам ОКЗ (табл. 4) вычислить параметры (Zк, Rк, Xк, cos φк) для "Г"-образной схемы замещения трансформатора, рассчитать относительное значение напряжения короткого замыкания трансформатора Uк = 100 U / U [%], и ток аварийного короткого замыкания при номинальном первичном напряжении I1к ав = 100 I / Uк.

5.7. Начертить "Г" или "Т"-образную схему замещения трансформатора. Подписать номиналы элементов.

6. Контрольные вопросы (должны быть отражены в выводах)

6.1. В чем причина нелинейности зависимости U(I) — характеристики намагничивания катушки со стальным сердечником? Почему точка перегиба соответствует номинальному напряжению трансформатора?

6.2. Какой диапазон нагрузок для трансформаторов напряжения можно считать наиболее целесообразным?

6.3. Какие физические процессы в трансформаторе характеризуют мощность P10, и чем объясняется малое значение cos φ10?

6.4. Какие физические процессы в трансформаторе характеризует мощность P.

6.5. С какой целью проводят ОХХ, и ОКЗ? Почему нельзя было померить мощности на входе / выходе и сразу оценить КПД?