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

. (5)

Отношение называется коэффициентом трансформации, показывающим, во сколько раз ЭДС во вторичной обмотке трансформатора меньше, чем в первичной.

Если трансформатор нагружен (т.е. вторичная обмотка замкнута на некоторую нагрузку R), то падением напряжения RI нельзя пренебречь по сравнению с ЭДС индукции, и вместо формулы (5) получается более сложное соотношение.

При подключении нагрузки к концам вторичной обмотки во вторичной цепи возникает переменный ток (рис. 7). При этом увеличение напряжения на выходе повышающего трансформатора в К раз сопровождается уменьшением силы тока во вторичной обмотке тоже в К раз:

. (6)
Передаваемую мощность (без учета потерь) можно представить в виде

. (7)
Коэффициент полезного действия трансформатора (КПД)
, (8)
где P₁ и P₂  мощности первичной и вторичной обмоток нагруженного трансформатора соответственно.



Рис. 7. Схема трансформатора под нагрузкой
Трансформаторы для преобразования переменных токов больших мощностей обладают высокими КПД, достигающими (98…99,5) %. Уменьшение КПД трансформатора связано с потерями энергии на нагревание проводов его обмоток и сердечника, которое называется «потери в меди» Р_м. Вторая составляющая потери энергии расходуется на перемагничивание ферромагнитного сердечника и токи Фуко. Она носит название «потери в железе» Р_ж. Для уменьшения потерь в железе сердечники трансформаторов изготавливают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Это приводит к значительному увеличению электрического сопротивления сердечника и уменьшению потерь на его нагревание вихревыми токами.

Так же следует учитывать потери, возникающие из-за того что первичный магнитный поток не целиком пронизывает вторичную обмотку, и наоборот. Из-за этого реактивные и омические сопротивления первичных и вторичных цепей могут изменяться.

Учет всех перечисленных факторов приводит к тому, что из закона сохранения энергии в случае нагруженного трансформатора можно написать следующее выражение:

---

, (9)
где ‑ сдвиг фазы между током и напряжением в первичной цепи; ‑ сдвиг фазы между током и напряжением во вторичной цепи.

Выражение определяет мощность, затрачиваемую на нагревание первичной и вторичной обмотки («потери в меди»). Таким образом, КПД нагруженного трансформатора с учетом потерь запишется в виде:
. (10)
Из выражения (10) видно, что КПД зависит от тока нагрузки и от сдвига фаз . Поскольку чаще всего трансформатор подключен к активной (резистивной) нагрузке, можно считать, что . При постоянном , КПД будет иметь максимальное значение при такой нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в железе.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.  Для изучения работы трансформатора необходимо собрать электрическую схему как показано на рис. 8 и 9.

В лабораторной работе используются три измерительных прибора (два амперметра и вольтметр; в качестве амперметров и вольтметра могут использоваться многодиапазонные мультиметры). Амперметры измеряют ток в первичной и вторичной обмотках трансформатора; вольтметр служит для поочередного измерения напряжения в первичной и вторичной цепях трансформатора с помощью двухполюсного перекидного переключателя.

2.  Проверить на всех измерительных приборах параметр и диапазон измеряемых величин (для двух мультиметров это переменный ток, для третьего – переменное напряжение), т.е. на мультиметрах включить режим их работы для переменного тока (АС).




Рис. 8. Электрическая схема подключения измерительных приборов

---

Рис. 9. Общий вид лабораторной установки

В процессе всех измерений соотношение витков на первичной и вторичной обмотках трансформатора должно быть равно 140 : 84 соответственно, т.е. теоретически рассчитываемый коэффициент трансформации равен

. (11)
При проведении измерений нагруженного трансформатора используется реостат (10 Ом). При этом следует следить за тем, чтобы при уменьшении сопротивления нагрузки не был превышен максимально допустимый ток 6 А.

3.  В первой части лабораторной работы измеряются характеристики трансформатора в случае холостого хода, т.е. при отсоединенной нагрузке во вторичной цепи. Для этого из одной клеммы реостата следует вытащить соединительный провод.

На блоке питания с помощью штырькового переключателя выставить напряжение первичной обмотки (соединительные провода на блоке питания при этом должны быть вставлены в клеммы для переменного тока). Включить тумблер «Сеть» на задней стенке блока питания. Включить вольтметр для измерения напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформатора и переключаясь с одной обмотки на другую с помощью двухполюсного переключателя записать показания U₁ и U₂ в таб. 1.
Таблица 1

Uб. п., В	U1, В	U2, В	K=U1/U2
2
4
6
8
10
12
14

Произвести в той же последовательности аналогичные измерения, предварительно выставив на блоке питания поочередно напряжения 4, 6, 8, 10, 12 и 14 В соответственно.

---

После каждого очередного изменения значения напряжения на блоке питания, тумблер «Сеть» необходимо выключить.

По окончании измерений вычислить коэффициент трансформации K=U₁/U₂ для всех значений входного напряжения и сравнить его с величиной теоретически предсказанного по формуле (11). Оценить погрешность полученного коэффициента трансформации.

Построить график зависимости и аппроксимировать полученную зависимость линейной функцией. По полученной функции из графика оценить коэффициент трансформации. Сопоставить полученное значение с результатом формулы (11).

4.  Во второй части лабораторной работы изучаются характеристики нагруженного трансформатора. Для этого ранее отсоединенный провод необходимо подключить к клемме реостата.

Ползунок реостата необходимо поставить в положение, соответствующее максимальному значению нагрузки 10 Ом. На блоке питания с помощью штырькового переключателя выставить начальное напряжение (соединительные провода на блоке питания при этом должны быть вставлены в клеммы для переменного тока). Включить тумблер «Сеть» на задней стенке блока питания. Включить все измерительные приборы и записать показания U₁, I₁, U₂, I₂ в таблицу 2.

После каждого очередного измерения при изменении значения напряжения на блоке питания, тумблер «Сеть» необходимо выключить.

Таблица 2

Uб. п., В	U1, B	I1, A	U2, B	I2, A	P1, Вт	Р2,Вт
2
4
6
8
10
12
14

---

Произвести в той же последовательности аналогичные измерения, предварительно выставив на блоке питания напряжения 4, 6, 8, 10, 12 и 14 В соответственно. Полученные значения занести в табл. 2.

Обработать результаты измерений, для чего вычислить полезную P₁ и передаваемую мощность P₂ (без учета всех возможных потерь) для всех случаев входного напряжения:
; (12)
. (13)
Вычислить идеальный КПД трансформатора (без учета потерь) по формуле:

. (14)
Оценить погрешность полученных результатов для , ,  .

5.  В третьей части лабораторной работы повторить все измерения п.п. 4 при значениях сопротивления реостата: 9, 8, 7, 6 и 5 Ом. Полученные значения занести в таблицы аналогичные табл. 2.

При этом запрещается перемещать ползунок реостата до упора в сторону, соответствующую существенному возрастанию тока во вторичной цепи – это может привести к выходу из строя установки!

Обработать результаты измерений. Вычислить мощности и КПД трансформатора согласно выражению (12) – (14) для всех случаев.

Оценить погрешность полученных результатов для , ,  при всех значениях сопротивления нагрузки.

Построить графики выходной мощности трансформатора от напряжения вторичной обмотки для всех сопротивлений реостата. В результате на одном листе должно быть изображено семейство кривых

---