ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ №6

Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (1) стр. 182 — 199; 3) (2) стр. 153 — 175.

Контрольные вопросы.

1. Объяснить устройство трансформатора.

2. От чего зависит ЭДС обмоток трансформатора?

3. Что называется коэффициентом трансформации трансформатора?

4. Какие потери энергии имеются в трансформаторе?

5. Как определить КПД трансформатора?

Краткие теоретические сведения.

Трансформатор относится к электрическим машинам статического действия (нет подвижных частей). Он представляет собой электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения (например, 220 В) в переменный ток той же частоты другого напряжения (например, 36 В).Трансформатор (рис1,а) состоит из замкнутого магнитопровода 1 — набора тонких штампованных электрически изолированных друг от друга пластин из электротехнической стали, и двух или более катушек с обмотками 2, располагаемых на магнитопроводе. Одна из обмоток подключается к источнику питания и называется первичной. Все остальные обмотки, называемые вторичными, подключаются к различным нагрузкам (рис.1, 6).

В основу работы трансформатора положен принцип взаимоиндукции. Если к первичной обмотке подводится синусоидальное напряжение u=U_msinωt, то в ней течет электрический ток i, который создает намагничивающую силу iw, а последняя — переменный магнитный поток Ф=Ф_maxsinωt.Магнитный поток замыкается по магнитопроводу и пронизывает все обмотки, расположенные на нем. В результате в каждой обмотке индуктируется ЭДС.

ЭДС вторичной обмотки является источником напряжения для нагрузки, подключенной к этой обмотке. Таким образом, напряжение первичной обмотки передается на вторичную обмотку.

Все ЭДС е, как и поток Ф, изменяются по синусоидальному закону. Величина ЭДС определяется числом витков обмотки wи скоростью изменения магнитного потока:

- w(Ф_maxsinωt)'= -wωФ_max cosωt= -wωФ_maxsin(ωt + π / 2)=

=E_max sin (ωt — π /2)

Вектор ЭДС отстает от вектора магнитного потока на 90°, а амплитудное значение ЭДС

Е_max=wωФ_max определяется амплитудным значением магнитного потока Ф_тах, круговой частотой питающего напряжения ω=2πf и числом витков обмотки w.

Действующее значение ЭДС

. (1)

Поскольку приложенное к первичной обмотке напряжение и₁практически полностью уравновешивается индуктируемой в этой обмотке ЭДС е₁, можно считать, что действующее значение дан­ного напряжения

U₁= 4,44 fw₁Ф_тах. (2)

Напряжение на вторичной обмотке и₂ является следствием ин­дуктируемой в ней ЭДС е₂ поэтому по аналогии с выражением (2) можно записать выражение для действующего значения это­го напряжения в виде

U₂= 4,44 fw₂Ф_тах. (3)

Анализ выражений (2) и (3) позволяет сделать следующие выводы.

Во-первых, максимальное значение магнитного потока Ф_тах определяется действующим значением приложенного напряжения U₁и не зависит от режима работы трансформатора, т.е. при неизменном приложенном напряжении магнитный поток остается неизменным на всех режимах работы — от холостого хода до номинальной нагрузки.

Во-вторых, отношение действующих значений напряжений на первичной и вторичной обмотках определяется отношением числа витков обмоток, т.е. является постоянным. Это отношение получило название коэффициента трансформации

к=U₁ /U₂=w_l/w₂. (4)

Если первичное напряжение трансформатора выше вторично­го, т.е. к>1, то такой трансформатор называется понижающим. Если же вторичное напряжение выше первичного (к<1), то такой трансформатор называется повышающим.

Трансформатор относится к устройствам с высоким коэффициентом полезного действия, значение которого лежит в диапазоне от 0,85 у трансформаторов малой мощности до 0,99 у мощных трансформаторов. Чтобы понять причины снижения КПД, обратимся к энергетической диаграмме (рис.1, в).

Основными потерями в трансформаторе являются электрические (P_эл1 + Р_эл2) на нагревание обмоток и магнитные (Р_м) потери на перемагничивание сердечника. Отсюда КПД трансформатора

Основными характеристиками трансформатора являются:

-характеристика холостого хода;

-характеристика короткого замыкания;

-внешняя характеристика.

В опыте холостого хода к первичной обмотке подводится номинальное напряжение, а вторичные обмотки трансформатора разомкнуты.

Именно опыт холостого хода позволяет определить коэффициент трансформации к = U₁ /U₂, вычислить магнитный потока Ф_тах= U₁ / 4,44fw₁ и магнитную индукцию B_max = Ф_тах/Sв сердечнике с площадью сечения S. Кроме того, если на сердечнике трансформатора разместить известное число витков дополнительной обмотки w_доп, то несложно вычислить число витков всех остальных обмоток:

w₁=w_допU₁/U_доп; w₂=w_допU₂/U_доп, (5)

где U₁иU₂- напряжения на первичной и вторичной обмотках, а U_доп- напряжение на дополнительной обмотке.

Если измерить с помощью ваттметра потери в электрической цепи на холостом ходу, то они будут соответствовать магнитным потерям Р_м. Это объясняется тем, что ток холостого хода мал и не нагревает обмотку, а вот магнитный поток номинальный.

Опыт короткого замыкания проводится при пониженном напряжении на первичной обмотке и закороченной вторичной. При этом подводимое напряжение должно быть таким, чтобы токи в обмотках были номинальными. Поскольку токи номинальные, то номинальные электрические потери Р_эл1 + Р_эл2, а магнитные потери малы, так как магнитный поток при пониженном напряжении на первичной обмотке мал. Следовательно, ваттметр, включенный в первичную обмотку, покажет величину электрических потерь.

Таким образом, опыты холостого хода и короткого замыкания позволяют вычислить коэффициент трансформации, число витков обмоток, значения магнитного потока и магнитной индукции, а также коэффициент полезного действия трансформатора.

Внешняя характеристика U₂ =f (I₂) отражает зависимость напряжения на вторичной обмотке U₂от тока нагрузки I₂ при неизменном номинальном напряжении на первичной обмотке U₁ = const. По внешней характеристике может быть определено изменение напряжения.