Что такое холостой ход трансформатора опыт и таблица потерь

Лабораторная работа № 3 Метод эквивалентного генератора

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Кафедра Теоретических Основ Электротехники

Лабораторная работа № 3


Метод эквивалентного генератора.

Линейные соотношения между токами и напряжениями.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3

МЕТОД ЭКВИВАЛЕНТНОГО ГЕНЕРАТОРА. ЛИНЕЙНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ТОКАМИ И НАПРЯЖЕНИЯМИ

Краткое содержание работы

В работе теоретически и экспериментально находятся параметры эквивалентного генератора. Исследуются зависи­мости тока, напряжения и мощности приемника при изменении его сопротивления, а также линейные соотношения между токами ветвей в разветвленной электрической цепи.

Ключевые слова: линейная электрическая цепь; активный двухполюсник; схемы замещения двухполюсников; метод эквивалентного генератора; параметры эквивалентного генератора; формула (схема) Тевенена; формула (схема) Нортона; активная мощность двухполюсника

1. Теоретическая справка

При анализе сложных электрических цепей часто требуется определить ток и напряжение только в одной ветви. В этом случае используют метод эквивалентного генератора. Выделяют исследуемую ветвь (активную или пассивную), присоединенную к сложной цепи. Остальная часть цепи с двумя выделенными узлами представляет собой активный двухполюсник. По отношению к выделенной ветви активный двухполюсник можно преобразовать в эквивалентный генератор.

Теорема Тевенена – Гельмгольца: если активный двухполюсник, к которому присоединена выделенная ветвь, заменить источником ЭДС, равной напряжению на зажимах разомкнутой ветви и сопротивлением, равным входному сопротивлению, то ток в этой ветви не изменится.

Математическая формулировка теоремы для нахождения тока пассивной ветви ab выражается формулой Тевенена:

.

Этому равенству соответствует расчетная схема (последовательная схема замещения активного двухполюсника), представленная на рис. 1:

Если выделенная ветвь содержит источник ЭДС, тогда расчетная схема будет иметь вид, представленной на рис. 2:

Применение теоремы об эквивалентном генераторе позволяет свести расчет сложной цепи к расчету одноконтурной и использовать для определения тока формулу Тевенена: .

Алгоритм расчета по методу эквивалентного генератора:

1. Находят напряжение холостого хода на зажимах разомкнутой ветви ab.

2. Определяют входное сопротивление двухполюсника, преобразуя его в пассивный (все внутренние источники ЭДС и тока принимают равными нулю).

3. Определяют искомый ток по формуле Тевенена.

Можно использовать формулу Нортона, соответствующую параллельной схеме замещения активного двухполюсника (рис 3):

.

В данной работе сопротивление выделенной ветви может изменяться и определяется как нагрузка (Rн) по отношению к активному двухполюснику (эквивалентному генератору). При экспериментальном определении параметров эквивалентного генератора в данной работе используется режим холостого хода, в котором практически идеальным вольтметром () измеряется напряжение холостого хода . Далее осуществляется режим короткого замыкания, в котором измеряется ток . По результатам измерения строят нагрузочную характеристику активного двухполюсника (эквивалентного генератора). Входное сопротивление может быть найдено из соотношения . По результатам измерений проводится проверка выполнения теоремы Тевенена.

Передача энергии от активного двухполюсника к пассивному.

Определим условия, при которых мощность пассивного двухполюсника (приемника) максимальна. По теореме об эквивалентном генераторе ток и напряжение в приемнике R можно определить по расчетной схеме эквивалентного генератора (рис.1).

Напряжение , мощность приемника или , мощность эквивалентного генератора .

Если мощность приемника максимальна, то , следовательно, ток приемника должен быть . По формуле Тевенена , максимальная мощность выделяется в приемнике при . Максимальная мощность равна .

Отношение мощности Pн к мощности Pг называется к. п.д. эквивалентного активного двухполюсника:

При к. п.д. .

Графики зависимости Pн(Iн), Pг(Iн), Uн(Iн), η(Iн) представлены на рис. 4.

Согласно принципу линейности при изменении сопротивления резистивного элемента в одной из ветвей линейной электрической цепи все токи и напряжения связаны линейными соотношениями. При изменении сопротивления Rн токи i-ой и k-ой ветвей связаны линейным соотношением:

.

Коэффициенты линейности a и b определяются из двух любых режимов при разных значениях сопротивления резистора и неизменности остальных параметров цепи.

2. Подготовка к работе

1. Рассчитать любым методом токи в цепи, схема которой представлена на рис. 5, при E1= 9 В и J2= 50 мА. Значения сопротивлений резисторов и даны в таблице 1, Ом, Rн=R1. Определить напряжение Uн, мощность Pн.

2. Рассматривая цепь относительно резистора Rн как активный двухполюсник (эквивалентный генератор), рассчитать его параметры Uхх, Rвх, Iкз. Нарисовать последовательную и параллельную схемы замещения активного двухполюсника. Вычислить значение тока Iн при Rн=R1 по двум схемам замещения. Построить вольт-амперную характеристику активного двухполюсника Uн(Iн). Графически определить значение тока Iн и напряжения Uн при Rн=R1 и Rн=Rвх.

3. Определить величину сопротивления Rн, при котором в нем потребляется максимальная мощность. Вычислить Pmax. Построить график зависимости Pн(Iн).

4. Записать линейное соотношение I1(Iн)=aIн+b. Определить коэффициенты и по двум известным значениям токов (Rн и Rн=R1).

Номер бригады

, Ом

, Ом

3. Содержание и порядок выполнения работы

Для исследования электрической цепи по схеме рис. 1П протокола измерений используют: источники постоянного напряжения из блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ: источника напряжения Е1= 9 В (UZ1), источника тока J2= 50 мА (UZ2); измерительные приборы из блоков МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ постоянного тока. Пассивные элементы , и электрической схемы выбирают из блока МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ, для резистора Rн используется МАГАЗИН СОПРОТИВЛЕНИЙ.

· Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 1П. Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ. Включить тумблер SA1 источников UZ1 и UZ2.

Читайте также:  Радиусы гибки листового материала Справочник для конструкторов, инженеров, технологов

· Установить значение сопротивления резистора Rн=R1. Если стрелки амперметров PA1, PA2 и PA3 блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ отклоняются вправо, то значение тока считается положительным и равным показанию прибора. Если стрелка прибора отклоняется влево, следует поменять полярность подключения прибора, а значение тока считать отрицательным. Аналогично проводится измерение напряжений на элементах вольтметром PV.

· Значения измеренных токов и напряжения занести в табл. 1П протокола измерений.

Определение параметров эквивалентного генератора

· В режиме короткого замыкания (Rн=0) измерить ток Iкз и токи ветвей.

· В режиме холостого хода (ветвь с Rн разомкнута) измерить напряжение Uхх, токи холостого хода. Данные измерений занести в табл. 1П.

Сравнение экспериментальных и теоретических данных

· Заполнить табл. 2П.

Определение экспериментальных зависимостей

· Измерить токи Iн, I1, напряжение Uн для указанных в табл. 3П значений сопротивления Rн. Данные измерений занести в табл. 3П протокола.

· Рассчитать по измерениям мощность Pн.

· Выключить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

· Построить экспериментальные зависимости Iн(Rн), Uн(Iн), Pн(Iн), I1(I3).

Протокол измерений к лабораторной работе № 3

«Метод эквивалентного генератора. Линейные соотношения»

Схема исследуемой электрической цепи представлена на рис. 1П. Укажите на исследуемой схеме положительные направления токов в ветвях и полярность подключения приборов. В последующих опытах выбранные направления принять как положительные, экспериментальное значение тока в ветвях принимать в соответствии с отклонением стрелки прибора.

Е1 = ___ В, J2 = ___ мА, = ____ Ом, = ____ Ом, Ом.

Rн = ____ Ом

, мА

, мА

, мА

, мА

Что такое холостой ход трансформаторов, формулы и схемы

Трансформатор электрического тока является устройством преобразования энергии. Ток холостого хода трансформатора характеризует потери при отсутствии подключенной нагрузки. Величина данного параметра зависит от нескольких факторов:

  1. Конструктивного исполнения.
  2. Материала сердечника.
  3. Качества намотки.

При изготовлении преобразователей стремятся к максимально возможному снижению потерь холостого хода с целью повышения КПД, снижения нагрева, а также уменьшения паразитного поля магнитного рассеивания.

Общая конструкция и принцип работы трансформатора

Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

  1. Замкнутый сердечник из ферромагнитного материала.
  2. Обмотки.

Обмотки могут быть намотаны на жестком каркасе или иметь бескаркасное исполнение. В качестве сердечников трансформаторов напряжения промышленной частоты используется специальным образом обработанная сталь. В некоторых случаях встречаются устройства без сердечника, но они используются только в области высокочастотной схемотехники и в рамках данной темы рассматриваться не будут.

Принцип действия рассматриваемой конструкции заключается в следующем:

  1. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения она формирует переменное электромагнитное поле.
  2. Под воздействием данного поля в сердечнике формируется магнитное поля.
  3. Магнитное поле сердечника, в силу электромагнитной индукции, создает во всех обмотках ЭДС индукции.

ЭДС индукции создается, в том числе, в первичной обмотке. Ее направление противоположно подключенному напряжению, поэтому они взаимно компенсируются и ток через обмотку при отсутствии нагрузки равен нулю. Соответственно, потребляемая мощность при отсутствии нагрузки равна нулю.

Понятие холостого хода

Приведенные выше рассуждения справедливы для идеального трансформатора. Реальные конструкции обладают следующими потерями (недостатками) на:

  • намагничивание сердечника;
  • магнитное поле рассеивания сердечника;
  • электромагнитное рассеивание обмотки;
  • междувитковую емкость проводов обмотки.

В результате, в реальных конструкциях трансформатора наводимая ЭДС индукции отличается от номинального напряжения первичной обмотки и не в состоянии его полностью скомпенсировать. В обмотке возникает некоторый ток холостого хода. При подключении нагрузки данное значение суммируется с номинальным током и характеризует общие потери в электрической цепи.

Потери снижают общий КПД трансформатора, в результате чего растет потребление мощности.

Меры по снижению тока холостого хода

Основным источником возникновения тока холостого хода является конструкция магнитопровода. В ферромагнитном материале, помещенном в переменное электрическое поле, наводятся вихревые токи электромагнитной индукции – токи Фуко, которые нагревают материал сердечника.

Для снижения вихревых потерь материал сердечника изготавливают из тонких пластин, отделенных друг от друга изолирующим слоем, которую выполняет оксидная пленка на поверхности. Сам материал производится по специальной технологии, с целью улучшения магнитных свойств (увеличения значения магнитного насыщения, магнитной проницаемости, снижения потерь на гистерезис).

Обратная сторона использования большого количества пластин состоит в том, что в местах стыков происходит разрыв магнитного потока, в результате чего возникает поле рассеивания. Поэтому для наборных сердечников важна тщательная подгонка отдельных пластин друг к другу. В ленточных разрезных магнитопроводах отдельные части подгоняются друг к другу при помощи шлифовки, поэтому при сборке конструкции нельзя менять местами части сердечника.

От указанных недостатков свободны О-образные магнитопроводы. Магнитное поле рассеивания у них стремится к нулю.

Поле рассеивания обмотки и междувитковую емкость снижают путем изменения конструкции обмоток и пространственного размещения их частей относительно друг друга.

Снижение потерь также достигается при возможно более полном заполнении свободного окна сердечника. При этом масса и габариты устройства стремятся к оптимальным показателям.

Как проводится опыт холостого хода

Опыт холостого хода подразумевает подачу напряжения на первичную обмотку при отсутствии нагрузки. При помощи подключенных измерительных приборов измеряются электрические параметры конструкции.

Для проведения опыта холостого хода первичную обмотку включают в сеть последовательно с прибором для измерения тока- амперметром. Параллельно зажимам подключается вольтметр.

Следует иметь в виду, что предел измерения вольтметра должен соответствовать подаваемому напряжению, а при выборе амперметра нужно учитывать ориентировочные значения измеряемой величины, которые зависят от мощности трансформатора.

Читайте также:  Как и чем покрасить ткань в черный цвет в домашних условиях

Коэффициент трансформации

Наиболее просто определяется коэффициент трансформации. Для этого сравнивается входное и выходное напряжение. Расчет производится по следующей формуле:

Данное отношение справедливо для всех обмоток трансформатора.

Однофазные трансформаторы

В однофазных трансформаторах показания амперметра характеризуют потребляемый ток при отсутствии нагрузки. Данные показания являются конечными и нет необходимости в дальнейших вычислениях.

Трехфазные

Чтобы проверить трехфазный трансформатор, требуется усложнение схемы подключения. Необходимо наличие следующих приборов:

  • амперметры для измерения тока в каждой фазе;
  • вольтметры для измерения междуфазных напряжений первичной обмотки;
  • вольтметры для измерения междуфазных напряжений вторичной обмотки.

При проведении опыта холостого хода производятся следующие вычисления:

  • рассчитывается среднее значение тока по показаниям амперметра;
  • среднее значение напряжения первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент трансформации вычисляется по полученным значениям напряжения аналогично однофазной системе.

Измерение тока

При измерении тока можно определить только величину электрических потерь. Более полно определить параметры конструкции позволяет более сложная схема измерений.

Применение ваттметра

Подключив в первичную цепь ваттметр, можно определить мощность потерь трансформатора в режиме холостого хода. Суммируясь с мощностью нагрузки, найденная величина определяет габаритную мощность трансформатора.

Измерение потерь

При измерениях тока холостого хода и мощности потребления, можно сделать выводы о общих потерях холостого хода, которые приводят к следующему:

  1. Нагрев проводов обмоток.
  2. Нагрев сердечника.
  3. Снижение КПД.
  4. Появление магнитного поля рассеивания.

Схема замещения в режиме трансформатора

Прямой электрический расчет трансформатора сложен по той причине, что он представляет собой две электрических цепи, связанных между собой магнитной цепью.

Для упрощения расчетов удобнее пользоваться упрощенной эквивалентной схемой. В схеме замещения вместо обмоток используются комплексные сопротивления:

  • для первичной обмотки комплексное сопротивление включается последовательно в цепь;
  • для вторичной обмотки параллельно нагрузке.

Каждое комплексное сопротивление состоит из последовательно соединенного активного сопротивления и индуктивности.

Активное сопротивление – это сопротивление проводов обмотки.

От чего зависит магнитный поток взаимоиндукции в режиме ХХ

Магнитный поток взаимоиндукции в трансформаторе зависит от способа размещения обмоток на сердечнике и их конструктивного исполнения.

Важную роль играет коэффициент заполнения окна магнитопровода, который показывает отношение общего пространства, к месту, занятому обмоткой.

Чем ближе данный коэффициент к единице, тем выше будет взаимоиндукция обмоток и меньше потери в трансформаторе.

Примеры расчетов и измерений в режиме ХХ

Измеряя ток, напряжение и мощность трансформатора в опыте холостого хода, можно рассчитать следующие дополнительные данные:

  • активное сопротивление первичной цепи r1=Pхх/U 2 ;
  • полное сопротивление первичной цепи z1=U/Iхх;
  • индуктивное сопротивлении е x1=√(z 2 -r 2 ).

Найти ток холостого хода без применения амперметра можно по показаниям вольтметра и ваттметра:

Определение холостого хода трансформатора

Трансформаторы представляют собой сложное оборудование, которое предназначено для изменения параметров тока в цепи. Они могут повышать или понижать мощность, напряжение электричества в соответствии с требованиями потребителей.

В оборудовании при работе определяются некоторые потери мощности. Поэтому не вся электроэнергия, которая поступила на первичную обмотку, доходит к потребителю. При этом греется трансформатор (магнитопривод, обмотки и прочие детали). В различных конструкциях этот показатель неодинаков.

Холостой ход трансформатора позволяет определить токовые потери. Эта методика применяется в сочетании с определением напряжения в режиме короткого замыкания трансформатора. Этот процесс называется опытом агрегата. Он выполняется по определенной схеме.

  • 1 Общее устройство и виды
    • 1.1 Основные типы
    • 1.2 Особенности установок
  • 2 Методология проведения опыта
    • 2.1 Подход к проведению измерений
    • 2.2 Суть измерения
  • 3 Коэффициент трансформации
    • 3.1 Однофазные приборы
    • 3.2 Трехфазные приборы
    • 3.3 Применение коэффициента
  • 4 Измерение тока
  • 5 Измерение потерь
    • 5.1 Применение ваттметра

Общее устройство и виды

Чтобы понять, что такое опыт холостого хода различных трансформаторов, необходимо рассмотреть, что собой представляет подобное оборудование.

Основные типы

Трансформаторами называются машины неподвижного типа, которые работают благодаря электрическому току. Они меняют входное напряжение. Существует несколько видов подобных аппаратов:

  1. Силовые.
  2. Измерительные.
  3. Разделительные.
  4. Согласующие.

Чаще всего в энергетическую цепь требуется подключение силового трансформатора. Они могут иметь две или более обмоток. Аппарат может быть однофазный (бытовая сеть) или многофазный (промышленная сеть).

Особенности установок

Отдельно выделяются автотрансформаторы. В них есть только одна совмещенная обмотка. Также бывает сварочный аппарат. Они имеют определенную сферу применения.

В однофазном и многофазном оборудовании может устанавливаться различная номинальная мощность. Она может определяться в диапазоне от 10 до 1000 кВА и более. Маломощные однофазные и многофазные приборы могут быть в диапазоне до 10 кВА. Средние разновидности будут иметь мощность 20 кВА, 250 кВА, 400 кВА, 630 кВА и т. д. Если же этот показатель больше 1000 кВА, это установка высокой мощности.

Методология проведения опыта

Потери холостого хода трансформатора определяются при создании определенного режима. Для этого прекращается снабжение током всех обмоток. Они остаются разомкнутыми. После этого производится снабжение цепей электричеством. Оно определяется только на первом контуре. Аппаратура должна работать под напряжением, которое устанавливается при его производстве производителем.

Через первичный контур силовой, сварочной или прочей установки протекают токи, которые носят название ХХ. Их величина равняется не более 3-9% от заданного производителем показателя. При этом на обмотке вторичного контура электричество отсутствует. На первичном контуре ток производит магнитный поток. Он пересекает витки обеих обмоток. При этом возникает ЭДС самоиндукции на контуре первичном и взаимоиндукции – на обмотке вторичного типа.

Например, напряжение холостого хода сварочного трансформатора небольшой и средней мощности представляет собой ЭДС взаимоиндукции.

Подход к проведению измерений

Замер потерь холостого хода может производиться в двух аспектах. Их называют потерями в стали и меди. Второй показатель говорит о рассеивании тепла в обмотках (они начинают греться). В процессе проведения опыта этот показатель очень мал. Поэтому им пренебрегают.

Читайте также:  Вольтметр и амперметр повышенной точности; Eddy site

Данные о потере тока холостого хода трансформатора представляются в виде таблицы. В ней рассчитаны параметры для стали определенных сортов и толщины. Ток холостого хода трансформатора рассматривается в аспекте мощности, которая создается в магнитом потоке и именуется потерей в стали. Она затрачивается на нагрев листов из специального сплава. Они изолируются друг от друга лаковым покрытием. При создании таких магнитоприводов не используется метод сварки.

Суть измерения

Если по какой-то причине нарушается изоляционный слой между пластинами магнитопривода, между ними возрастают вихревые токи. При этом система начинает нагреваться. Лаковый слой постепенно разрушается. Потери при работе установки возрастают, его эксплуатационные характеристики ухудшаются.

В таком случае потери мощности в стали увеличиваются. При проведении расчетов этих характеристик в режиме холостого хода можно выявить возникшие нарушения в работе агрегата. Именно по этой причине производится соответствующий расчет.

Коэффициент трансформации

При определении работы установки применяется такое понятие, как коэффициент трансформации. Его формула представлена далее:

Отсюда следует, что напряжение на вторичном контуре будет определяться соотношением количества витков. Чтобы иметь возможность регулировать выходное электричество, в конструкцию установки вмонтирован специальный прибор. Он переключает число витков на первичном контуре. Это анцапфа.

Для проведения опыта на холостом ходу регулятор ставится в среднее положение. При этом измеряется коэффициент.

Однофазные приборы

Для проведения представленного опыта, при использовании понижающего или повышающего бытового агрегата, в расчет берется представленный коэффициент. При этом используют два вольтметра. Первый прибор подключается к первичной обмотке. Соответственно второй вольтметр подсоединяется к вторичному контуру.

Входное сопротивление измерительных приборов должно соответствовать номинальным характеристикам установки. Она может работать в понижающем или повышающем режиме. Поэтому при необходимости провести ремонтные работы, на нем измеряют не только подачу низкого, но и высокого напряжения.

Трехфазные приборы

Для трехфазных агрегатов в ходе проведения опыта исследуются показатели на всех контурах. При этом потребуется применять сразу 6 вольтметров. Можно использовать один прибор, который будет подключаться поочередно ко всем точкам измерения.

Если установленное производителем значение на первичной обмотке превышает 6 кВ, на нее подают ток 380 В. При измерении в высоковольтном режиме нельзя определить показатели с требуемым классом точности. Поэтому замер производят в режиме низкого напряжения. Это безопасно.

Применение коэффициента

В процессе проведения измерения анцапфу перемещают во все установленные производителем положения. При этом замеряют коэффициент трансформации. Это позволяет определить наличие в витках замыкания.

Если показания по фазам будут иметь разброс при замерах больше, чем 2%, а также их снижение в сравнении с предыдущими данными, это говорит об отклонениях в работе агрегата. В первом случае в системе определяется короткое замыкание, а во втором – нарушение изоляции обмоток. Агрегат не может при этом работать правильно.

Такие факты требуют подтверждения. Например, это может быть измерение сопротивления. Влиять на увеличение разброса показателей коэффициента могут возрастание сопротивления между контактами анцапфы. При частом переключении возникает такая ситуация.

Измерение тока

При опытном измерении тока холостого хода мастер применяет амперметры. Их необходимо подсоединять к первичной обмотке последовательно. Напряжение в контуре должно равняться номинальному значению.

Если проводится исследование работы трехфазного промышленного агрегата, замер выполняет для всех фаз одновременно или последовательно. При этом испытания производятся только для установок от 1000 кВА.

Измерение потерь

Потери в магнитоприводе замеряют исключительно при использовании мощной установки. При этом можно брать для расчетов пониженное напряжение, которое подключено к первичному контуру через ваттметр. Это прямой метод измерения.

При учете показателей вольтметра или амперметра потребуется умножить их мощности друг на друга. Это косвенный метод. При этом результат имеет определенную погрешность. Искажение происходит из-за невозможности учесть при таком расчете коэффициент мощности. Это конус угла, который образуется в векторной схеме между напряжением и током. В режиме холостого хода между ними появляется угол 90º.

Применение ваттметра

Ваттметр позволяет произвести замер с учетом коэффициента мощности. Это дает возможность получить более точный результат. Расчет выполняется по следующей формуле:

Далее необходимо создать на основе полученного результата векторную диаграмму. По каждой фазе учитываются установленные потери. Для этого чаще всего строится таблица. При этом используется схема, которая изначально применялась производителем при создании оборудования.

Полученный результат не подлежит сравнению с нормативами. Показатели сравнивают только с характеристиками предыдущих проверок. Если потери с течением времени только возрастают, это говорит о нарушении изоляции пластин магнитопривода или появлении иных нарушений. Обратить этот процесс невозможно.

Проведение замеров холостого хода позволяет оценить состояние аппаратуры, а также определить потребность в необходимости планового или аварийного ремонта. Поэтому регулярные испытания позволяют правильно спланировать работу установки, предотвратить ее непредвиденное отключение.

Интересное видео: Описание основ работы трансформатора.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector