59461-46893 (ЛР9 - метода)

Московский государственный технический университетимени Н.Э. Баумана___________________________________________________________В.А. Соловьев, А.В. Степанов, Ю.А. БелобоковаИсследование однофазного трансформаторав среде MultisimМетодические указания к лабораторной работепо курсам «Электротехника», «Электротехника и электроника»МоскваИздательство МГТУ им. Н.Э. Баумана20151УДК 621.314.2ББК 31.261С 60Факультет «Фундаментальные науки»Кафедра «Электротехника и промышленная электроника»Cоловьев В.А., Степанов А.В., Белобокова Ю.А. Исследование однофазного трансформатора в среде Multisim: методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Электротехника», «Электротехникаи электроника».

– М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. – 30 с.Изложены основные теоретические сведения об устройстве, принципедействия, электрической схеме замещения и основных характеристиках однофазного трансформатора. Рассмотрены методики экспериментального определения параметров его схемы замещения и основных характеристик, данынеобходимые расчетные соотношения и формулы. Приведены описание модели виртуального лабораторного стенда для испытания однофазного трансформатора в среде Multisim, методики проведения на ней опытов по определению параметров схемы замещения и характеристик однофазного трансформатора, рекомендации по форме представления результатов экспериментов.Для студентов МГТУ им. Н.Э.

Баумана, изучающих дисциплины«Электротехника», «Электротехника и электроника» по программам подготовки бакалавров и специалистов.2СодержаниеВведение …………………………….……………………………………….41.Основные теоретические сведения ……………………………………….51.1. Устройство и принцип действия трансформатора …………………… 51.2. Схема замещения трансформатора ……………………………………. 81.3. Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора ….

111.4. Внешняя характеристика трансформатора ………………………….. 151.5. Потери мощности и КПД трансформатора ………………………….162.Описание виртуальной модели лабораторного стендадля испытания однофазного трансформатора ………………………………. 183.Задания и порядок выполнения лабораторной работы …………………21Содержание отчета ……………………………………………………….25Контрольные вопросы ……………………………………………………26Основная литература..……………………………………………………27Дополнительная литература ………..…………………………………….28Приложение 1. Заготовки для графического представления результатовэкспериментального исследования характеристик однофазноготрансформатора ……………………………………………………………….

293ВведениеВ современных системах электроснабжения промышленных предприятий, бытовых объектов и многих автономных электротехнических комплексов используется переменный синусоидальный ток. Для передачи и распределения электроэнергии в этих системах, а также в источниках вторичногоэлектропитания различных электротехнических и электронных устройствширокое применение получили силовые трансформаторы. Поэтому изучениеустройства, принципа действия, основ теории, технических характеристик иметодов их экспериментального определения входит в учебные планы дисциплин «Электротехника», «Электротехника и электроника» по программамподготовки бакалавров и специалистов.

Освоение раздела «Трансформаторы» закрепляет знание основных законов электротехники, полученных изпредыдущих разделов указанных дисциплин, и формирует базу для изученияасинхронных и синхронных электрических машин.Цель работы: ознакомление с устройством, принципом действия, схемой замещения, основными характеристиками однофазного трансформатора;приобретение навыков экспериментального определения параметров схемызамещения и основных характеристик однофазного трансформатора на модели виртуального лабораторного стенда в среде Multisim.41. Основные теоретические сведения1.1.

Устройство и принцип действия трансформатораТрансформатором называется статический электромагнитный аппарат,предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Он состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника (магнитопровода) 1 и размещенных на нем двух (или более) обмоток2, 3 из изолированного медного провода (рис.1).Рис.1.

Принципиальная схема включения однофазного трансформатораСердечник трансформатора с целью снижения потерь от вихревых токов собирается из тонких, толщиной 0,35 или 0,5 мм, изолированных друг отдруга листов электротехнической (трансформаторной) стали, обладающейузкой петлёй гистерезиса. Одну из обмоток трансформатора 2, называемуюпервичной, подключают к источнику переменного тока (сети). К другой егообмотке 3, называемой вторичной, подключают потребитель электроэнергии,т. е.

нагрузку Zн,При разомкнутой цепи вторичной обмотки 3 (рис.1) нагрузка Zн отключена от трансформатора, и он работает в режиме холостого хода. Ток в еговторичной обмотке равен нулю I2 = 0, а по первичной обмотке под действиемнапряжения источника переменного тока U1 проходит ток холостого хода I1 =5I1х. Он возбуждает в трансформаторе изменяющийся по синусоидальной зависимости магнитный поток, положительное направление которого определяется по правилу буравчика. Бóльшая часть этого магнитного потока замыкается по стали сердечника и является основным магнитным потоком трансформатора Φ, а другая значительно меньшая часть замыкается вне сердечника (по воздуху) и сцепляется только с первичной обмоткой, образуя магнитный поток рассеяния первичной обмотки Φσ1.Основной магнитный поток Φ пронизывает обе обмотки трансформатора и в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в нихпропорциональные их числам витков переменные ЭДС E1 и E2.

Их действующие значения определяются по формуламE1  4,44 fw1 m ,E2  4,44 fw2 m ,где f – частота переменного тока; w1 и w2 – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;.Φm – амплитуда магнитного потока трансформатора.При E1 > E2 трансформатор называют понижающим, а если E1 < E2, топовышающим. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора называют коэффициентом трансформациик12 E1 w1.E2 w2После замыкания цепи вторичной обмотки 3 (рис.1) под действием еёЭДС E2 в ней и нагрузке Zн возникает ток I2. Он возбуждает магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку от тока первичной обмоткиI1.

Незначительная часть этого магнитного потока замыкается вне сердечника(по воздуху), образуя магнитный поток рассеяния вторичной обмотки Φσ2, абóльшая часть замыкается по стали сердечника, и ослабляет основной магнитный поток трансформатора Φ. Однако из соотношенияU1 ≈ E1 =4,44·f·w1·Φ· следует, что при неизменном напряжении источника переменно6го тока U1 = const и изменении режима работы трансформатора от холостогохода до номинального его основной магнитный поток остается практическипостоянным Φ = const. Поскольку в нагруженном трансформаторе ЭДС E1наводится результирующим магнитным потоком, создаваемым обеими обмотками, для соблюдения этого условия работы трансформатора при увеличении тока нагрузки I2 также увеличивается ток его первичной обмотки I1.Физические процессы, происходящие при работе трансформатора, описываются уравнениями его магнитного и электрического состояний. Уравнение магнитного состояния отражает равенство МДС магнитной цепи трансформатора при Φ = const в режимах холостого хода и нагрузкиI1х w1  I1w1  I2 w2 .Оно может быть представлено в форме записи первого закона КирхгофаwI1  I1х  I2 2  I1х  I2 .w1Из полученного выражения следует, что ток первичной обмотки I1 состоит из двух составляющих I1х и I2.

Ток холостого хода I1х создает основнойпоток трансформатора и не зависит от его нагрузки, а ток I2 определяется нагрузкой трансформатора, и его изменения вызывают соответствующие изменения тока первичной обмотки I1.Уравнения электрического состояния трансформатора, составленныепо второму закону Кирхгофа для цепей первичной и вторичной обмоток, записываются в следующем видеU 1  E1  R1 I1  jX 1 I1 ,E 2  U 2  R2 I2  jX 2I2 ,где R1, R2 – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора; X1, X2 – индуктивные сопротивления первичной и вторичной об7моток, обусловленные их магнитными потоками рассеяния Φσ1, Φσ2; U2 – напряжение на нагрузке трансформатора.1.2.

Схема замещения трансформатораНаличие в трансформаторе магнитной связи между обмотками затрудняет расчет электрических цепей, в которых он является связующим звеном.Поэтому при расчете цепей переменного тока трансформатор заменяют эквивалентной электрической схемой замещения, описываемой одинаковыми странсформатором уравнениями. При этом магнитная связь между первичнойи вторичной цепями трансформатора заменяется электрической связью. Такая замена существенно упрощает не только расчет всей электрической цепи,но и облегчает анализ режимов работы и характеристик трансформатора.В схеме замещения непосредственное подключение к первичной обмотке трансформатора цепи его нагрузки изменит на ней напряжение и потребляемую мощность и, следовательно, нарушит исходный энергетическийбаланс трансформатора.

Чтобы избежать этого электрические параметрывторичной обмотки и нагрузки приводят к первичной обмотке, т.е. пересчитывают, используя коэффициент трансформации к12. В результате реальныйтрансформатор заменяют трансформатором с числом витков вторичной обмотки, равным числу витков первичной обмотки, и изменяют параметрыэлементов цепи вторичной обмотки так, чтобы это не отразилось на режимеработы первичной обмотки трансформатора. Приведенная ЭДС вторичнойобмоткиE2  E1  к12 E2 .По условию соблюдения эквивалентности проводимой замены в реальном и приведенном трансформаторах должны быть равны МДС вторичныхобмотокI 2 w1  I 2 w2 .Тогда приведенный ток вторичной обмотки8I 2 I2.к12Приведенные активное R2 и индуктивное X2 сопротивления вторичнойобмотки определяются соответственно из равенства мощностей потерь впроводниках и равенства реактивных мощностей вторичных обмоток реального и приведенного трансформаторовR2 I 22  R2 (I 2 )2 ; X 2 I 22  X 2 (I 2 )2 .Подобное равенство можно записать и для мощности нагрузки трансформатораZ н I 22  Z н (I 2 ) 2 .Из приведенных соотношений следует222R2  к12R2 ; X 2  к12X 2 ; Z н  к12Zн ,причем последнее выражение верно и комплексной форме записи222Z н  к12Z н  Rн  jX н  к12Rн  jк12Xн ,где Rн, Xн  активное и реактивное сопротивления нагрузки трансформатора;Rн, Xн  приведенные активное и реактивное сопротивления нагрузкитрансформатора.Приведенное напряжение на вторичной обмотке трансформатораU 2  Z н I 2  к12U 2 .После приведения параметров цепей вторичной обмотки основная система уравнений трансформатора принимает видI1  I1х  I ,U1  E1  R1 I1  jX 1 I1 ,E 2  U 2  R2 I2  jX 2I2 .9Этим уравнениям соответствует Т-образная схема замещения трансформатора, представленная на рис.2.Рис.2.