Файл: Лабораторная работа 14 Иccледование работы однофазного трансформатора Методические указания к лабораторной работе.doc

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Санкт-Петербургский горный университет»


Кафедра общей и технической физики

общая физика

Лабораторная работа № 14

Иccледование работы однофазного трансформатора

Методические указания к лабораторной работе

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2023

Цель работы: Изучение явления электромагнитной индукции и взаимной индукции при помощи трансформатора. Ознакомление с принципом действия однофазного трансформатора. Экспериментальное определение и исследование характеристик однофазного трансформатора.

Введение

Трансформатор (от лат. transformare — «превращать, преобразовывать») - электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины без изменения частоты тока.

Трансформатор (рис. 1) состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, который, как правило, изготавливается из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. Это делается с целью уменьшения вихревых токов. Трансформатор имеет две (и более) катушек, называемых обмотками, которые электрически изолированы от сердечника и друг от друга. Обмотка, которая подключена к сети питающего переменного тока, называется первичной (вход). Концы вторичной обмотки (выход) подключены к потребителю электрической энергии. Параметры, относящиеся к первичной обмотке, обозначаются индексом 1, относящиеся к вторичной обмотке – индексом 2.



Рис. 1. Трансформатор

---

Если магнитное поле, пронизывающее обмотки трансформатора, замыкается через воздух, то такие трансформаторы называются воздушными. Воздушные трансформаторы используются в специальных устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники. Для увеличения магнитной связи между обмотками их располагают на замкнутом ферромагнитном сердечнике с большой относительной магнитной проницаемостью μ = 300…20000.

В некоторых случаях вторичной обмоткой трансформатора может служить часть первичной обмотки или, наоборот, часть вторичной обмотки берется в качестве первичной. В этом случае трансформатор называют автотрансформатором (рис. 2). Если один из контактов автотрансформатора сделать передвижным, то можно плавно изменять выходное напряжение. Такие трансформаторы называются лабораторными автотрансформаторами (сокращенно ЛАТР) (рис. 3).



Рис. 2. Схема автотрансформатора
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции, открытом в 1831 г. английским физиком М. Фарадеем. В том же году изображение трансформатора одновременно появилось в работах М. Фарадея и Д. Генри. Однако оба ученых не обратили внимание на возможность использования трансформатора в целях преобразования напряжения переменного тока.


Рис. 3. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)


Рис. 4. Условно-графические обозначения однофазного трансформатора
В 1848 г. французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку особой конструкции, которая явилась первым прообразом трансформатора.

30 ноября 1876 г. российский ученый-электротехник П.Н. Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником в виде металлического стержня, на который наматывались обмотки. Это событие можно считать датой рождения первого трансформатора переменного тока.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон.

Летом 1882 г. на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве

---

физик-самоучка И.Ф. Усагин использовал промышленный трансформатор собственной конструкции для освещения одного из павильонов выставки.

С изобретением трансформатора возник интерес к техническому применению переменного тока. Российский электротехник М.О. Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трехфазную систему переменного тока. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. он продемонстрировал опытную высоковольтную линию электропередачи трехфазного тока протяженностью 175 км. Использовавшийся трехфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 кВ. С этого момента начинается интенсивное развитие электроэнергетики.

В конце 1880-х гг. английский электрик Д. Свинберн впервые поместил силовой трансформатор в керамический сосуд с маслом, что значительно повысило надежность работы трансформатора и улучшило условия теплообмена при его нагреве. Такие трансформаторы называются масляными. Они используются в электрических цепях, рассчитанных на передачу мощности более 40 кВА. В этих устройствах магнитопровод с обмотками помещают в бак с минеральным маслом, которое не только хорошо отводит тепло за счет конвекции, но и является хорошим изолятором. Это позволяет изготавливать масляные трансформаторы меньшего размера и массы по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности.
Техническое применение трансформаторов
Трансформаторы имеют очень высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 99 %, и не содержат никаких движущихся частей, поэтому они являются весьма удобными и надежными техническими устройствами, прежде всего в энергетике.

Как известно, при передаче электроэнергии от электростанции до потребителя на значительные расстояния возникают неизбежные потери энергии, расходуемые на нагревание проводов. Эти потери прямо пропорциональны квадрату силы тока в линии электропередачи. Поэтому для уменьшения потерь энергии требуется уменьшить силу тока в линии. Поскольку мощность тока равна произведению силы тока на напряжение, чтобы при уменьшении силы тока в линии не уменьшалась передаваемая мощность, следует увеличить напряжение во столько же раз, во сколько раз была уменьшена сила тока.

При высоком напряжении переменный ток передается на большие расстояния с малыми потерями, однако для использования на промышленных предприятиях, транспорте и в быту необходимо понижение напряжения. Такое повышение и понижение напряжения переменного тока осуществляются трансформаторами различных конструкций.

---

В настоящее время в современных линиях электропередачи почти исключительно применяют высокие напряжения (тысячи и десятки тысяч вольт) (рис. 5). Это позволяет уменьшить силу тока в линии, а значит, и сечение проводов, что приводит к значительному снижению стоимости сооружения линий электропередач.

Конструировать и производить генераторы (так же как и различные приборы, потребляющие электрическую энергию), рассчитанные на высокие напряжения, весьма дорого, поскольку необходимо обеспечить хорошую изоляцию обмоток. Поэтому электрические генераторы строят с расчетом на низкое напряжение, а затем это напряжение увеличивают при помощи повышающих трансформаторов (рис. 6). В местах потребления электроэнергии ток высокого напряжения преобразуют при помощи понижающих трансформаторов в токи низкого напряжения (110, 220 В и др.).

Рис. 5. Линия электропередачи от электростанции к потребителю

Рис. 6. Промышленный повышающий трансформатор
Во многих областях промышленности, включая горнодобывающую, используются разделительные трансформаторы. Они устраняют угрозу поражения электрическим током (при одновременном касании человеком фазового провода или корпуса прибора с плохой изоляцией и заземленного предмета тело человека замыкает электрическую цепь, становясь проводником). Прибор, включенный в сеть через трансформатор, безопасен, поскольку вторичная цепь трансформатора контакта с «землей» не имеет. Это особенно актуально при работе во влажных средах, в условиях ограниченного пространства и слабой освещенности, например в шахте.
Теория трансформатора
Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, заключающийся в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего какой-либо проводящий контур, в нем наводится (индуцируется) электродвижущая сила. При этом направление ЭДС таково, что возникающий в контуре под действием данной ЭДС индуцированный ток создает магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток (правило Ленца).

Таким образом, возникающий во вторичной обмотке индукционный ток создает вихревое электрическое поле. Такое поле приводит в движение электроны во вторичной обмотке трансформатора и является причиной возникновения в ней ЭДС индукции. Отметим, что магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, практически сосредоточен внутри сердечника трансформатора, в то время как вихревое электрическое поле существует как внутри сердечника, так и снаружи. Поэтому ЭДС во вторичной обмотке возникает и при наличии зазора между сердечником и обмоткой.

---

Рассмотрим связь между входным U₁ и выходным напряжением U₂ трансформатора. Пусть  магнитный поток в сердечнике. В случае технического переменного тока, изменяющегося по закону синуса, и намагничивания сердечника, далекого от насыщения, этот магнитный поток будет также изменяться приблизительно по синусоидальному закону: , где  угловая частота переменного тока;  максимальное значение потока (его амплитуда). В реальных трансформаторах часть линий индукции, создаваемых первичной обмоткой, выходит из сердечника и замыкается вне вторичной обмотки, образуя так называемый поток рассеяния. Однако в хороших трансформаторах поток рассеяния мал по сравнению с потоком внутри сердечника, и поэтому можно считать, что один и тот же поток пронизывает обе обмотки.

ЭДС индукции, возникающая в первичной обмотке, равна

, (1)

а ЭДС индукции во вторичной обмотке

, (2)

где N₁ и N₂  число витков в первичной и вторичной обмотках.

Применяя к обмоткам трансформатора закон Ома для участка с ЭДС индукции, находим напряжение на первичной обмотке трансформатора

(3)

и напряжение на вторичной обмотке

, (4)

где R₁, R₂,  сопротивления первичной и вторичной обмоток; I₁, I₂  силы тока в обмотках.

В случае разомкнутой вторичной обмотки (режим холостого хода (ХХ)) ток во вторичной обмотке не течет, т.е. I₂ = 0. В дальнейшем будем считать (что обычно выполняется для всех технических трансформаторов), что R₁I₁  E₁. Тогда, деля почленно уравнения (3) и (4), находим:

---