Лабораторная работа_Исследование однофазного трансформатора в среде Multisim (В.А. Соловьёв, А.В. Степанов - Исследование однофазного трансформатора в среде Multisim)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТимени Н.Э. Баумана__________________________________________________________________Факультет «Фундаментальные науки»Кафедра «Электротехника и промышленная электроника»В.А. Соловьев, А.В. СтепановИсследование однофазного трансформатора в среде MultisimМетодические указания по выполнению лабораторной работы«Исследование однофазного трансформатора в среде Multisim» подисциплине«Электротехника»МоскваИздательство МГТУ им.

Н.Э. Баумана2015УДК 621.313ББК 31.261CоловьевВ.А.,СтепановА.В.Исследованиеоднофазноготрансформатора в среде Multisim: методические указания к выполнениюлабораторной работы по курсу «Электротехника». – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана 2015. –Вметодическихуказанияхклабораторнойработепокурсу«Электротехника» приведены краткие теоретические сведения о уравнениях,математической модели и характеристиках однофазного трансформатора.Изложенпорядокисследованиярежимоводнофазного трансформатора в среде Multisim.работыихарактеристикЛабораторная работа«Исследование однофазного трансформатора в среде Multisim»Цельработы: исследованиережимовработыихарактеристикоднофазного трансформатора в среде Multisim.1.Основные теоретические сведенияТрансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющеедве или более индуктивно-связанных обмоток и предназначенное дляпреобразованияпосредствомэлектромагнитнойиндукцииоднойилинескольких систем переменного тока в одну или несколько других системпеременноготока.Трехфазныесиловыетрансформаторыширокоиспользуются для повышения и понижения напряжения при передачеэлектрической энергии от источников к приемникам (потребителям), чтопозволяет сократить потери электрической энергии в электрических сетях.

Вприборостроении используются трансформаторы малой мощности (£4кВА) вблоках питания электронной аппаратуры (источники вторичного питания),для преобразования непрерывных и импульсных сигналов, для согласованиякаскадовэлектроннойаппаратуры,длягальваническойразвязкиэлектрических цепей.Однофазный трансформатор состоит из двух обмоток, размещаемых назамкнутом ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе), собираемом излистов электротехнической стали,изолированных друг от друга слоем лакадля уменьшения вихревых токов (рис. 1). Обмотка, подключаемая кисточникупитания,называетсяпервичной,аобмотка,ккоторойподключается нагрузка, вторичной. Первичная обмотка характеризуетсяпараметрами: w1 – число витков, u1 – напряжение, i1 – ток первичнойобмотки; вторичная обмотка соответственно: w2 – число витков, u2 –напряжение, i2 – ток вторичной обмотки.

Ток i1, протекающий по первичнойобмотке, создает магнитный поток, состоящий из двух составляющих.Однасоставляющая этого магнитного потока замыкается по воздуху и называетсямагнитным потоком рассеивания – Φs1(t). Другая составляющая этогомагнитного потока замыкается по сердечнику и пересекает витки вторичнойобмотки–Φ21(t). Ток i2, протекающий по вторичной обмотке, также создаетмагнитный поток, состоящий из двух составляющих: магнитного потокарассеивания – Φs2(t) и магнитного потока, пересекающего витки вторичнойобмоткиΦ12(t).Такимобразом,основноймагнитныйпотокΦ0(t),замыкающийся по сердечнику, равен алгебраической сумме магнитныхпотоков Φ21(t) и Φ12(t).i1i2Φ10u1Φs1u2Φs2Рис.

1. Однофазный двухобмоточный трансформаторПод действием синусоидального напряжения u1(t) = U1msinωt токи впервичной и вторичной обмотках создают магнитные потоки, которыеприближенноможнозаменитьэквивалентнымисинусоидами.Тогдаосновной магнитный поток соответственно равен.Основной магнитный поток индуцирует в первичной и вторичнойобмотках ЭДС, действующие значения которых равны,.Коэффициент трансформации равен отношению напряжения напервичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке при холостом ходеk = U1х/U2х.

В режиме холостого хода (ХХ) U2х = E2, U1х ≈ E1 тогда k = w1/w2.Синусоидальный электрический ток вызывает переменный магнитныйпоток с частотой f. Магнитные потери в магнитопроводе подразделяются напотери на гистерезис (потери на перемагничивание) и на потери от вихревыхтоков. При этом ток по фазе опережает магнитный поток на угол магнитныхпотерь δ.

Активная составляющая тока холостого хода I0a = I0 sinδ (I0– токхолостоготока)определяетсямагнитнымипотерями,ареактивнаясоставляющая тока I0р = I0 cosδ идет на создание основного магнитногопотока Φ0.Уравнения трансформатора в комплексной форме имеют вид,,где– напряжения на первичной и вторичной обмотках;– токи в– ЭДС индуцируемые основнымпервичной и вторичной обмотках;магнитным потоком в первичной и вторичных обмотках; R1, R2 – активныесопротивления первичной и вторичной обмоток; XS1, XS2– реактивныесопротивленияиндуктивностейрассеиванияпервичнойивторичнойобмоток.При подключении к первичной обмотке источника питания снапряжением u1(t), напряжение источника питания уравновешивается ЭДС,индуцируемой основным магнитным потоком.

Если напряжение неизменно,то приближенно можно считать неизменным и магнитный поток прихолостом ходе и при нагрузке. Поэтому для трансформатора справедливоуравнение баланса магнитодвижущих сил,где– ток холостого хода,– токи первичной и вторичной обмотокпри нагрузке трансформатора. Для упрощения расчетов трансформатора ипостроения электрической схемы замещения параметры вторичной обмоткиприводятся к параметрам первичной обмотки.

Это позволяет реальныйтрансформатор заменить эквивалентным трансформатором с числом витковвторичной обмотки равным числу витков первичной обмотки w1 = w2, приэтом должны выполняться следующие условия. МДС вторичной обмоткидолжнасохраняться,тогда.Такжедолжнасохраняться и электромагнитная мощность, передаваемая во вторичнуюобмотку, тогда ЭДС во вторичной обмотке равна.Электромагнитная мощность, передаваемая в нагрузку трансформатора,также должна сохраняться, тогда.Из условия равенства активной и реактивной мощностей,передаваемых в нагрузку, следует, что комплексное сопротивление нагрузкидолжно быть равно Z/н=k2Zн.Такжедолжнасохранятьсяактивнаямощность,потребляемаярезистивным сопротивлением вторичной обмотки, и реактивная мощность наиндуктивном сопротивлении рассеивания вторичной обмотки, откудаследуетДляи.эквивалентноготрансформаторасправедливыследующиеуравнения,,,.Схемазамещенияэквивалентноготрансформатораивекторнаядиаграмма изображены на рис.

2, 3. Определение параметров схемызамещения производится по опытам холостого хода и короткого замыкания.R1Xs2Xs1'Xs2'RmXmРис. 2. Электрическая схема замещения трансформатора--δРис. 3. Векторная диаграмма трансформатораСхема для проведения опытов холостого хода и короткого замыканияизображена на рис. 4.I1A1U1**ТрI2W1V1U2V2Рис.4. Схема для проведения опытов холостого хода и короткогозамыкания.Опыт холостого хода. В опыте холостого хода к первичной обмоткеподводят номинальное напряжение U1н.

К вторичной разомкнутой обмоткеподключают вольтметр, которым измеряют напряжение U20. Амперметром иваттметром, подключенными к первичной обмотке, измеряют ток первичнойобмотки I10 и активную мощность, потребляемую трансформатором P10.По измеренным параметрам,полученным в опытехолостого хода,вычисляют коэффициент трансформации.Полное входное сопротивление равно.Активная мощность P10, потребляемая трансформатором в режимехолостогохода,определяетсяпотерямивсердечнике,посколькуэлектрические потери малы (потери в стали Pc),тогда активное сопротивление ветви намагничивания равно.Магнитный поток рассеяния намного меньше по сравнению сосновным магнитным потоком, поэтому индуктивное сопротивление ветвинамагничивания равно.Опыт короткого замыкания. Опыт короткого замыкания проводятпри коротко замкнутойвторичнойобмотке.Кпервичнойобмоткеподключают источник напряжения, действующее значение которого равнотакому значению, при котором токи в обмотках равны номинальнымзначениям.

В этом случае измеряют напряжение первичной обмотки U1к иактивную мощность P1к. По измеренным значениям определяют полноевходное сопротивление и активное сопротивление короткого замыкания,.Пренебрегая током через ветвь намагничивания, который припониженном напряжении мал, вычисляют активные сопротивленияпервичной и вторичной обмоток.иРеактивные сопротивления индуктивностей рассеяния первичной ивторичной обмоток равны,.Внешняя характеристика трансформатора. Внешняя характеристикатрансформатора — это зависимость вторичного напряжения от токавторичной(обмотки)илиприоткоэффициента,загрузкии.Внешние характеристики трансформатора зависят от характера нагрузки.При активной нагрузке напряжение U2 уменьшается с увеличением I2. Болееинтенсивно напряжение U2 снижается с увеличением I2 при активноиндуктивной нагрузке. При активно-емкостной нагрузке напряжение U2 сувеличением I2 может увеличиваться.Коэффициент полезного действия трансформатора.

Коэффициентполезного действия трансформатора (КПД) равен,где P2 – активная мощность, поступающая в нагрузку; P1 – активнаямощность, поступающая из сети. Активную мощность, поступающую внагрузку, можно выразить с использованием коэффициента загрузки.Электрические потери в меди трансформатора равны.Потери в стали приближенно равны потерям активной мощности втрансформатореприхолостомходеиноминальном.Тогда полные потери трансформатора равныИспользуя, приведенные выше формулы, получаем.напряжении.Максимальное значение КПД соответствует нагрузке, при котороймагнитные потери равны электрическим.Рабочие характеристики трансформатора — это зависимость η(КПД), P1, cosφ1, U2, ΔU2 от коэффициента загрузки трансформатора β.

Видрабочих характеристик трансформатора приведен на рис. 5.ηcosφ11.0P1ΔU2cosφ1η0.8U20.6P10.4ΔU20.2β01.0Рис. 5. Рабочие характеристики трансформатораОсновные расчетные соотношения.Коэффициент загрузки трансформатораКоэффициент полезного действия трансформатора.Потери активной мощности в медиОбщие потери в трансформаторе равны сумме магнитных потерь ипотерь в меди.Отклонение напряжения на вторичной обмотке от напряженияхолостого хода (%)Паспортные данные однофазного трансформатора ОСМ1 – 0,63 –220/42: U1н = 220 В, I1н = 2,86 А, Sн = 630 ВА, U2н =42 В, I2н = 15 А.2.

Описание схемотехнической модели лабораторного стендадля испытания однофазного трансформатораСхемотехническая модель лабораторного стенда для испытанияоднофазного трансформатора с включенными в его цепи виртуальнымиэлектроизмерительнымиприборамиинагрузочнымиустройстваминаходится в файле <Однофазный трансформатор_ОСМ1-0,63> среды NIMultisim 10.1. Ее изображение после открытия этого файла показанона рис.6.Однофазный трансфоратор ОСМ1-0,63-220/42XWM1VRu110kΩKey=UV1220 Vrms50 Hz0°XWM2IVIJ1A1+0.440100%АвтотрансформаторX1IO1IO2IO4IO3+-A2AU1220.000 V+5.944uОднофазный трансформаторX2IO1IO3IO2IO4Клавиша = AARн120Ω100%Key=RJ6+-Клавиша = DU243.054VRн22ΩJ2J4Клавиша = BR-L нагрузкаX3Клавиша = CJ3IO3IO1IO2IO4IO5IO6R-C нагрузкаX4IO3IO1IO2IO4IO5IO6Рис.6.

Схемотехническая модель лабораторного стенда для испытанияоднофазного трансформатораВ схемотехнической модели лабораторного стенда исследуемыйтрансформатор представлен субмоделью «Однофазный трансформатор»,содержащей четыре вывода. Их них два вывода являются выводамипервичной обмотки трансформатора, а два других выводами вторичнойобмотки.Вцепиобеихобмотоктрансформаторавключеныэлектроизмерительные приборы.