Робота 13. Дослідження однофазного трансформатора

13.1 Мета роботи

Вивчити будову і дослідити роботу трансформатора в режимах холостого ходу, короткого замикання і під навантаженням.

13.2 Теоретичні положення

Трансформатор - це статичний електромагнітний апарат, який призначений для перетворення однієї - первинної систем змінного струму, в другу-вторинну систем змінного струму, яка має інші характеристики, зокрема, іншу напругу і інший струм.

Механічним аналогом трансформатора може бути редуктор. На рис.13.1 зображені функціональні схеми трансформатора і редуктора.

Рис.13.1.

До трансформатора від джерела електричної енергії підводиться потужність , а трансформатор перетворює її в потужність , якою живляться споживачі. Аналогічний процес має місце і в механічному редукторі, до якого від вала двигуна (джерела механічної енергії) підводиться потужність , редуктор перетворює її в потужність з другими значеннями моменту і кутової швидкості .

В електроенергетиці трансформатор є одним із основних елементів системи електропостачання із-за можливості створювати напруги, які задовільняють потреби різних споживачів.

Місце розташування джерел електричної енергії (теплових, атомних і гідроелектростанцій) не завжди територіально співпадає з розташуванням споживачів. Тому приходиться передавати електричну енергію на значні віддалі. Передача електроенергії здійснюється по лініях електропередач (ЛЕП). При передачі електроенергії по проводах мають місце втрати потужності

, /13.1/

де струм в лінії ; активний опір лінії.

Щоб зменшити втрати , необхідно зменшити силу струму, зберігши величину потужності, що передається, незмінною ( ). Це можна зробити, збільшивши напругу. Можна зменшити і за рахунок зменшення опору . Зменшення опору вимагає збільшення діаметру проводів, що дуже дорого. Тому передачу електроенергії здійснюють високою напругою.

Електричні станції виробляють енергію напругою 3, 6, 10, 15 і 20 кВ. В залежності від віддалі передачі напругу підвищують до 35, 110, 220, 400, 500 і 800 кВ. Чим більша віддаль, тим більша напруга ЛЕП. Хоча вартість ЛЕП при підвищенні напруги зростає, але економія на втратах енергії перевищує додаткові витрати на спорудження високовольтних ЛЕП.

Масові споживачі енергії виготовляють на напругу 220/380 В, рідше на напруги 600, 3000 і 6000 В. Необхідні напруги для живлення споживачів електроенергії забезпечують трансформатори.

Трансформатор складається із магнітопроводу і двох або, у загальному випадку, декількох обмоток, зв’язаних між собою електромагнітно, а в автотрансформаторах - і електрично.

За кількістю фаз трансформатори поділяються на однофазні , трифазні і багатофазні. Найбільш широко використовуються такі типи трансформаторів:

- силові - для передачі і розподілу електричної енергії ;

- силові спеціального призначення, а саме : пічні, зварювальні, для випрямних установок, автотрансформатори та інші;

- вимірювальні - для підключення вимірювальних приладів .

Номінальною потужністю трансформатора є потужність вторинної обмотки , яка вказана на щитку. Номінальною первинною напругою називається напруга, яка вказана на щитку трансформатора. Номінальною вторинною напругою називається напруга на затискачах вторинної обмотки при холостому ході трансформатора і при номінальній напрузі на первинній обмотці .

Номінальними струмами трансформатора - первинним і вторинним - є струми, які вказані на щитку або які вираховують за номінальними потужностями і напругами.

Незалежно від призначення та конструктивного виконання основні процеси , які відбуваються в трансформаторах, майже однакові . Тому достатньо вивчити будову, принцип дії і характеристики однофазного двообмоточного силового трансформатора .

Будова однофазного двообмоточного трансформатора показана на рис.13.2,а, а умовне позначення - на рис 13.2,б.

Рис.13.2.

Трансформатор складається з феромагнітного магнітопроводу (ярма і осердя) і двох обмоток: високої напруги (ВН) з кількістю витків і низької напруги (НН) з числом витків . Магнітопровід виготовляють із листів електротехнічної сталі товщиною 0,35…0,5 мм, які ізолюють один від одного тонким шаром лаку або іншим ізоляційним матеріалом. Така будова магнітопроводів всіх електромагнітних пристроїв змінного струму зумовлена необхідністю зменшення втрат енергії внаслідок виникнення в магнітопроводі вихрових струмів.

Обмотки трансформатора намотують ізольованим мідним проводом у вигляді котушок, які ізолюють одна від одної і від магнітопроводу. Обмотку НН розміщують на осерді магнітопроводу, а обмотку ВН – концентрично відносно обмотки НН.

До первинної обмотки підводять напругу від джерела живлення, до вторинної – під’єднують споживачів електричної енергії.

Принцип дії трансформатора грунтується на законі електромагнітної індукції. Якщо до первинної обмотки з числом витків прикласти синусоїдну напругу , то в ній буде протікати струм t, який спричинить появу двох магнітних потоків: основного , який замикається по магнітопроводу, і потоку розсіювання , який зв’язаний з первинною обмоткою і який замикається по повітрю.

Основний магнітний потік індукує в первинній обмотці е.р.с. самоіндукції

/13.2/

і в вторинній обмотці з числом витків е.р.с. взаємоіндукції

, /13.3/

де і амплітудні значення е.р.с. первинної і вторинної обмоток. Ці е.р.с. відстають від потоку на кут .

Відношення називається коефіцієнтом трансформації трансформатора.

Дія магнітного потоку розсіювання на первинну обмотку кількісно оцінюється сталим індуктивним опором .

Якщо до вторинної обмотки підключити навантаження з опором , то в ній буде протікати струм , який згідно з законом Ленца створить магнітний потік , який буде протидіяти основному магнітному потоку .

Розмагнічуюча дія магнітного потоку вторинної обмотки спричиняє збільшення струму у первинній обмотці настільки, щоб основний магнітний потік трансформатора залишався сталим за амплітудою , що еквівалентно , де струм в первинній обмотці.

Для спрощення розрахунків і побудови векторної діаграми трансформатора е.р.с., напругу, струм і опори вторинної обмотки зводять до первинної за формулами:

. /13.4/

За цих умов рівняння однофазного трансформатора матимуть вигляд :

/13.5/

де r1 i r’2 - відповідно активний опір первинної і зведений активний опір вторинної обмотки; - зведений індуктивний опір вторинної обмотки ; - струм намагнічування /холостого ходу/ трансформатора .

Рис.13.3.

Системі рівнянь /13.5/ відповідає заступна схема трансформатора, яка наведена на рис.13.3.

Щоб краще з’ясувати співвідношення між синусоїдними величинами, які входять до системи рівнянь /13.5/, необхідно вміти будувати векторну діаграму трансформатора. Для цього рівняння трансформатора /13.5/ представляють у векторній формі:

/13.6/

.

При побудові векторної діаграми всі вектори орієнтують відносно вектора , який зображає основний магнітний потік трансформатора /рис.13.4/. Вектори е.р.с. і , які індукуються потоком , рівні за величиною і відстають від нього на кут . Вектор намагнічуючого струму із-за втрат в сталі осердя випереджує вектор на кут магнітного запізнення

, /13.7/

де - втрати в сталі, які визначають на підставі досліду холостого ходу.

Рис.13.4

Знаючи ,опори вторинної обмотки і опір зовнішнього кола , можна знайти струм і побудувати вектор , який буде зсунутий відносно вектора на кут . Побудувавши вектори і , знаходять вектор . Побудову векторів і виконують на підставі рівнянь первинної і вторинної обмоток . Із рівняння первинної обмотки видно, що має три складові : , яка зрівноважує е.р.с. і яку зображають вектором , рівним і протилежним вектору ; складову , яка випереджує вектор на кут , і складову , яка співпадає за напрямком з . Геометрична сума цих векторів дає вектор .

Аналогічно будують вектор , віднімаючи від вектора вектор , який перпендикулярний до вектора , і вектор ,паралельний йому , як це показано на рис.13.4. Вектор зображає напругу вторинної обмотки трансформатора.

Із діаграми видно, що струм вторинної обмотки , визначає величину струму первинної обмотки , бо струм намагнічування можна вважати величиною сталою. Крім того, при зміні характеру навантаження змінюється і відповідно змінюється коефіцієнт потужності кола первинної обмотки . Отже, при зміні навантаження на виході трансформатора змінюється потужність, яку споживає трансформатор з мережі живлення, тобто трансформатор здійснює перетворення енергії напругою в енергію напругою і ці синусоїдні напруги зміщені в часі на кут, дещо більший при активно-індуктивному навантаженні і дещо менший при активно-ємнісному.

При перетворенні первинної системи змінного струму у вторинну мають місце втрати енергії як в магнітопроводі, так і в обмотках трансформатора. Ці втрати визначають величину коефіцієнта корисної дії.