59461-46893 (ЛР9 - метода), страница 2

Т-образная схема замещения однофазного трансформатораВ ней магнитная цепь, связывающая электрические цепи обмотоктрансформатора, заменена эквивалентной электрической цепью, называемойнамагничивающей ветвью. Такая замена основывается на представленииЭДС E1 = E2 в уравнениях трансформатора падением напряжения на вводимой ветвиE1  E 2  Rх  jX х I1х ,где Rх – активное сопротивление намагничивающей ветви, обусловленноемощностью потерь в сердечнике трансформатора из-за вихревых токов и гистерезиса; Xх – индуктивное сопротивление намагничивающей ветви, обусловленное основным магнитным потоком трансформатора.Все параметры Т-образной схемы замещения трансформатора не могутбыть рассчитаны или определены экспериментально.

Поэтому на практикеиспользуют Г-образную схему замещения трансформатора, изображенную нарис.3.10Рис.3. Г-образная схема замещения однофазного трансформатораВ ней намагничивающая ветвь с током I1х перенесена на вход схемы иподключена непосредственно к источнику U1. Такое преобразование схемызамещения вносит некоторые погрешности при определении токов трансформатора. Однако, учитывая сравнительно малое падение напряжения насопротивлениях R1, X1, они невелики, и ими пренебрегают.1.3.

Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатораДля определения параметров Г-образной схемы замещения трансформатора проводят опыты его холостого хода и короткого замыкания. Из этихопытов определяют также параметры трансформатора, позволяющие рассчитать его основные эксплуатационные характеристики. Электрическая схемалабораторного стенда для выполнения опытов холостого хода и короткогозамыкания трансформатора показана на рис.4.

Она содержит исследуемыйоднофазный трансформатор Т с включенными в цепи его обмоток необходимыми для проведения опытов электроизмерительными приборами и автотрансформатор АТ, используемый для регулирования напряжения на первичной обмотке трансформатора.11Рис.4. Схема для опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатораОпыт холостого хода трансформатора проводят при разомкнутомвыключателе SA и отключенной нагрузке. На первичной обмотке трансформатора Т автотрансформатором АТ устанавливают, контролируя по вольтметру V1, номинальное напряжение U1х = U1н.

Амперметром A1 и ваттметром W1 измеряют ток первичной обмотки I1х и активную мощность P1х, потребляемую трансформатором в этом режиме, а вольтметром V2 напряжениена вторичной обмотке U2х = E2.По результатам измерений вычисляют коэффициент трансформациик12 E1 U1н,E2 U 2 хотносительное значение тока холостого хода трансформатораi1х I1х100% ,I1нгде I1н – номинальный ток первичной обмотки трансформатора.В режиме холостого хода I1х = (0,03…0,1)I1н, и только у трансформаторов малой мощности он доходит до 0,2I1н.

Поэтому электрические потеримощности в первичной обмотке по сравнению с номинальным режимом незначительны, а во вторичной обмотке и вовсе равны нулю, так как I2 = 0. Изэтого следует, что при холостом ходе трансформатора основными потерями12мощности будут магнитные потери в его сердечнике, называемые также потерями в стали, и их показывает ваттметр W1Pст  P1х .По показанию ваттметра W1 можно также определить и коэффициентмощности трансформатора при холостом ходеcos 1х P1хU1х I1х.Опыту холостого хода трансформатора, учитывая, что I2 = 0, соответствует схема замещения (рис.5), содержащая только намагничивающую ветвьРис.5.

Схема замещения трансформатора в опыте холостого ходаПараметры ее элементов рассчитывают по формуламZх U1хP; Rх  12х ; X х  Z х2  Rх2 .I1хI1хПри проведении опыта короткого замыкания трансформатора необходимо учитывать, что при закорачивании вторичной обмотки замыканиемвыключателя SA (рис.4) и номинальном напряжении на первичной обмоткеU1 = U1н в обмотках трансформатора возникают токи, многократно превышающие их номинальные значения, и реальный трансформатор может выйтииз строя.

Поэтому перед этим опытом предварительно понижают напряжениена первичной обмотке трансформатора до U1 = 0 В, и только после этого закорачивают выключателем SA его вторичную обмотку. Затем автотрансфор13матором АТ постепенно повышают, контролируя по вольтметру V1, напряжение на первичной обмотке трансформатора до U1 = U1к, при котором токив его обмотках, измеряемые амперметрами А1, А2, будут равны их номинальным значениямI1к  I1н SнS; I 2к  I 2н  н ,U1нU 2нгде Sн – номинальная полная мощность трансформатора.При напряжении U1 = U1к ваттметром W1 измеряют потребляемуютрансформатором активную мощность P1к. Используя показания приборов,рассчитывают относительно значения напряжение короткого замыканиятрансформатораu1к U1к 100%U1ни его коэффициент мощности в этом режимеcos 1к P1к.U1к I I1кНапряжение короткого замыкания трансформаторов U1к в 10…20 и более раз меньше их номинального напряжения U1н.

Поэтому основной магнитный поток в сердечнике трансформатора, пропорциональный напряжению U1к ≈ E1к = 4,44w1 f Φm, будет очень мал. Тогда потери в стали, пропорциональные квадрату магнитного потока, будут пренебрежимо малы, и ихможно не учитывать.

Следовательно, вся активная мощность P1к, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания, идет на нагрев обмотоки равна электрическим потерям мощности в них или потерям в меди ΔPм.Эти потери мощности измеряются при номинальных токах обмоток трансформатора и являются номинальными потерями мощности в медиPмн  P1к  R1 I12н  R2 I 22н  R1  R2 I12н .14В опыте короткого замыкания трансформатора при U1к << U1н ток в намагничивающей ветви Г-образной схемы замещения очень мал, поэтому ееиз схемы замещения исключают (рис.6)Рис.6.

Схема замещения трансформатора в опыте короткого замыканияПараметры схемы замещения трансформатора в опыте короткого замыкания определяют по формуламZк U1кP; Rк  R1  R2  12к ; X к  X 1  X 2  Z к2  Rк2 .I1кI1кR1  R  RкX; X 1  X 2  к .221.4.

Внешняя характеристика трансформатораПри нагружении трансформатора вследствие падения напряжения насопротивлениях его обмоток с изменением тока нагрузки изменяется напряжение на вторичной обмотке. Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки U2 = f(I2) при U1 = U1н = const и коэффициенте мощности нагрузки cosφ2 = const называют внешней характеристикойтрансформатора. Относительное значение изменения вторичного напряжениятрансформатора выражают в процентахU 2 % U 2х  U 2U  U 2100%  1н100% .U 2хU1н15Из схемы замещения трансформатора (рис.3) и соответствующей ейвекторной диаграммы при пренебрежении током I1х следуетU1н  U 2  I1 Rк cos 2  X к sin 2  .С учетом этого равенства внешняя характеристика трансформатораможет быть выражена зависимостьюU 2  U 2х  I 2нRк cos 2  X к sin 2  ,2к12где β = I2 / I2н ≈ I1 / I1н – коэффициент загрузки трансформатора.Изменение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, какследует из выражения его внешней характеристики, зависит не только от тока нагрузки I2, но и от ее характера, т.е.

угла φ2. При активной нагрузке φ2 =0, при активно-индуктивной нагрузке угол φ2 положительный, а при активноемкостной нагрузке φ2 отрицательный. Поэтому при работе трансформаторас активной и активно-индуктивной нагрузкой напряжение U2 снижается сувеличением тока I2, причем более интенсивно при работе с активноиндуктивной нагрузкой, а при активно-емкостной нагрузке напряжение U2может увеличиваться.1.5. Потери мощности и КПД трансформатораПреобразованиеэлектроэнергии в трансформаторе сопровождаетсяпотерями мощности, называемые по месту их возникновения потерями мощности в стали (сердечнике) ΔPст и потерями мощности в меди (обмотках)ΔPм. Мощность потерь в стали, как и амплитуда магнитного потока Φm, приU1 = U1н = const, f = const практически не зависит от нагрузки трансформатора и относится к постоянным потерям мощностиPст  const .16Мощность потерь в меди зависит от степени загрузки трансформатораи образует переменную составляющую его мощности потерьPм  Rк I 2 2   2 Pмн .Эффективность преобразования электроэнергии в трансформаторе оценивается по его КПДP2P2,P1 P2  Pгде P1 = U1I1cosφ1 – активная мощность, потребляемая трансформатором изсети; cosφ1 – коэффициент мощности трансформатора; P2 – активная мощность, отдаваемая трансформатором в нагрузку; ΔP = ΔPст + ΔPм – мощностьпотерь трансформатора.КПД трансформатора очень высок.

Поэтому, принимая во внимание,что относительная разность мощностей P1 и P2 соизмерима с погрешностьюизмеряемых их приборов, для определения КПД трансформатора рекомендован косвенный метод, основанный на измерении мощностей потерь. Тогда,учитывая, чтоP2  U 2 I 2 cos 2  Sн cos 2 ,КПД трансформатораS н cos  2. Sн cos  2   2 Pмн  PстЭто выражение представляет собой функцию η = f(β), имеющую максимум η = ηmax при оптимальном коэффициенте загрузки трансформатораопт PстP 1х .PмнP1кЗначению β = βопт соответствует равенство переменных и постоянныхпотерь мощности трансформатора172опт Pмн  Pст .Трансформаторы силовых сетей, работающие на переменную нагрузку,имеют максимум КПД обычно при βопт = 0,5…0,7.2. Описание виртуальной модели лабораторного стендадля испытания однофазного трансформатораВ лабораторной работе исследуется однофазный трансформатор ОСМ10,63 – 220/42. Он предназначен для питания различной аппаратуры в промышленных электроустановках общего назначения.

Его паспортные данные:U1н = 220 В, I1н = 2,86 А, Sн = 630 ВА, U2н =42 В, I2н = 15 А.Виртуальная модель лабораторного стенда для испытания однофазноготрансформатора с включенными в его цепи виртуальными электроизмерительными приборами и нагрузочными устройствами находится в файле <Однофазный трансформатор_ОСМ1-0,63> среды NI Multisim 10.1. Ее изображение после открытия этого файла показано на рис.7.Однофазный трансфоратор ОСМ1-0,63-220/42XWM1VRu110kΩKey=UV1220 Vrms50 Hz0°XWM2IVIJ1A1+0.440100%АвтотрансформаторX1IO1IO2IO4IO3U1+-220.000A2A+5.944uОднофазный трансформаторX2IO3IO2IO4Rн120Ω100%Key=RJ6-Клавиша = DU2+VIO1Клавиша = AA43.054VRн22ΩJ2J4Клавиша = BКлавиша = CJ3R-L нагрузкаX3IO3IO1IO2IO4IO5IO6J5R-C нагрузкаX4IO3IO1IO2IO4IO5IO6Рис.7.