Нагрузочные характеристики трансформатора

Нагрузочные характеристики трансформатора – это зависимости вторичного напряжения , коэффициента мощности и коэффициента полезного действия от тока нагрузки при .

Зависимость называется внешней характеристикой трансформатора.

На основании второго закона Кирхгофа для вторичной цепи уравнение внешней характеристики записывается в виде:

.

Внешняя характеристика трансформатора при различных характерах нагрузки представлена на рис.2.9.

Рис.2.9. Внешние характеристики трансформатора.

Коэффициент полезного действия зависит от режима работы трансформатора и может определяться методом косвенного измерения, основанного на прямом измерении потерь в трансформаторе:

,

где К_з - коэффициент загрузки.

Вид характеристики представлен на рис.2.10.

Рис.2.10. КПД трансформатора при различной величине нагрузки.

В режиме холостого хода . При малых значениях нагрузки, когда потери в обмотках не велики, а потери в магнитопроводе соизмеримы с полезной мощностью , значение КПД не большое. С увеличением тока нагрузки КПД трансформатора растет и достигает наибольшего значения при равенстве потерь в обмотках и потерь в магнитопроводе ( ). При увеличении нагрузки сверх потери в обмотках много больше потерь в магнитопроводе и КПД незначительно снижается.

Пример.В однофазном трансформаторе используется магнитопровод с активным сечением 20 см², работающий в номинальном режиме с магнитной индукцией B = 1,2 Тл. Число витков первичной и вторичной обмоток и , частота переменного напряжения сети 50 Гц. Определить ЭДС одного витка трансформатора, ЭДС первичной и вторичной обмоток, а также коэффициент трансформации.

Решение. Максимальный магнитный поток одинаково для обеих обмоток и равно В. ЭДС обмоток пропорциональны числу их витков, т.е. В и В.

Коэффициент трансформации равен .

Пример.Показания амперметра и вольтметра при опыте короткого замыкания составляют В, А, мощность потерь в меди равна 400 Вт. Определить параметры схемы замещения трансформатора (см. рис.2.11), если , а активное и реактивное сопротивления первичной обмотки Ом и Ом. Найти коэффициент мощности трансформатора.

Рис.2.11 Схема замещения трансформатора.

Решение. Активное сопротивление короткого замыкания

= 16 (Ом),

полное сопротивление (Ом).

Следовательно, реактивное сопротивление короткого замыкания

(Ом).

Приведенные к первичной обмотке активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки

(Ом)

и

(Ом).

Активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки

(Ом)

и

(Ом).

Коэффициент мощности трансформатора в режиме короткого замыкания .

ЗАДАЧА1. Реактор со стальным магнитопроводом, собранным для уменьшения потерь на вихревые токи из тонких, изолированных друг от друга листов, присоединен к сети переменного тока напряжением 142 В и частотой 50 Гц. Показания амперметра и ваттметра в цепи 5,7 А и 106 Вт. Пренебрегая потерями энергии на вихревые токи и в активном сопротивлении реактора, построить векторную диаграмму напряжения, ЭДС, тока, магнитного потока и определить из нее намагничивающую составляющую тока и активную составляющую , обусловленную потерями на гистерезисе. Определить также реактора.

ЗАДАЧА 2. Амперметр, ваттметр и вольтметр, включенные в цепь реактора со стальным магнитопроводом (рис. 22), дают показания: Вт, В, А. Измеренное постоянным током сопротивление реактора Ом. Реактор имеет витков и питается от сети переменного тока с частотой Гц.

Построить векторную диаграмму и определить индуктированную в реакторе ЭДС , максимальный магнитный поток , коэффициент мощности , мощность потерь в меди , мощность потерь в стали , намагничивающую составляющую тока , составляющую тока, обусловленную потерями в стали .

ЗАДАЧА 3. Найти коэффициент трансформации, если в режиме холостого хода напряжения на вторичной обмотке трансформатора 20; 110; 330 и 1100 В. Трансформатор подключен к сети переменного напряжения 220 В.

ЗАДАЧА 4. Найти ЭДС первичной обмотки трансформатора с числом витков 1000, если он подключен к сети переменного напряжения частотой 400 Гц, а в магнитопроводе создается магнитный поток Вб.

ЗАДАЧА 5.1 Напряжение первичной обмотки трансформатора равно 6,3 кВ. Определить коэффициент трансформации, если в режиме холостого хода напряжение на выводах его вторичной обмотки 400 В. Найти число витков первичной обмотки, если число витков вторичной обмотки равно 150.

4. Какое количество витков имеют первичная и вторичная обмотки трансформатора, подключенного к сети переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц, если в режиме холостого хода напряжение на вторичной обмотке 110 В, а магнитный поток в магнитопроводе Вб?

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение магнитной индукции , напряженности магнитного поля , намагниченности , магнитной проницаемости , магнитного потока . В каких единицах они измеряются, как связаны между собой?

2. Сформулируйте закон полного тока.

3. Как рассчитать неразветвленную магнитную цепь?

4. Запишите формулу для определения магнитного сопротивления и закон Ома для магнитной цепи.

5. Сформулируйте законы Кирхгофа для магнитной цепи.

6. Объясните как влияет длинна воздушного зазора в магнитопроводе на значение магнитного потока в нем при постоянстве намагничивающего тока.

7. Проведите аналогию между электрической и магнитной цепью постоянного тока.

8. Какова форма магнитного потока в катушке?

9. Напишите формулу зависимости амплитуды магнитного потока от действующего значения напряжения питания.

10. Объясните в чем причина искажения формы тока в катушке с магнитопроводом.

11. Какова природа потерь в реальной катушке с ферромагнитным сердечником?

12. Какими элементами в схеме замещения катушки с магнитопроводом учитываются потери в обмотке, в сердечнике.

13. Объясните различия между идеализированной и реальной нелинейными катушками. Объясните назначение трансформатора.

14. Как устроен трансформатор, каков принцип действия однофазного трансформатора?

15. Что называется коэффициентом трансформации и как его определить?

16. Почему при увеличении нагрузки трансформатора увеличивается ток в его первичной обмотке?

17. В чем отличие реального трансформатора от идеализированного?

18. Назначение схемы замещения трансформатора.

19. Какова природа потерь в трансформаторе?

20. С какой целью и при каких испытаниях трансформатора проводят опыты холостого хода, короткого замыкания?

21. Какое влияние оказывает характер нагрузки на внешнюю характеристику трансформатора?

22. Что такое коэффициент загрузки и КПД трансформатора?

23. Область применения измерительных трансформаторов.

Примеры тестов

4. Как изменяется величина магнитного потока в сердечнике с уменьшением зазора при одном и том же значении тока?

Варианты ответов: а) увеличивается;

б) уменьшается;

в) остается неизменным.

5. Как изменится величина вектора на диаграмме, если уменьшить воздушный зазор сердечнике катушки?

Варианты ответов: а) уменьшиться;

б) увеличиться;

в) остается неизменной.

6. Как изменится показание ваттметра при уменьшении зазора ?

Варианты ответов: а) увеличится;

б) не изменится;

в) уменьшится.

7. Определить напряженность магнитного поля, создаваемого катушкой, имеющей 50 витков, если по ней течет ток 15 А, а длина средней силовой линии магнитного поля 0,5 м.

8. Определить намагничивающую силу катушки, если напряженность магнитного поля А/м, а длина силовой линии м.

9. Какой магнитный поток будет протекать по замкнутому магнитопроводу, если намагничивающая сила обмотки 1200 А, а магнитное сопротивление магнитопровода Гн^-1?

10. Площадь поперечного сечения магнитопровода 0,025 м², длина 0,5 м, магнитная проницаемость = 400. Определить магнитное сопротивление магнитопровода.

11. К обмотке катушки, имеющей 1000 витков, приложено постоянное напряжение 27 В. Какова намагничивающая сила катушки, если ее сопротивление 20 Ом?

12. Какой ток протекает по обмотке электромагнита, если она имеет 500 витков, длина средней силовой линии 2 м, площадь поперечного сечения сердечника 0,25 м2, а магнитный поток в сердечнике 0,45 Вб? Материал сердечника – электротехническая сталь.

13. Площадь поперечного сечения магнитопровода 0,02 м2, длина 0,05 м, относительная магнитная проницаемость 2000. Определить магнитное сопротивление магнитопровода.

14. Магнитный поток в сердечнике катушки, по которой протекает ток 4 А, равен Вб. Какое число витков на единицу длины должна иметь катушка, если сечение сердечника м, а относительная магнитная проницаемость материала сердечника ?

15. Определить магнитный поток в магнитопроводе, площадь поперечного сечения которого , а магнитная индукция 0,8; 1,2; 1,5 Тл.

16. Какова абсолютная магнитная проницаемость ферромагнитного материала, если магнитная индукция в нем 1,5 Тл при напряженности магнитного поля 2250 А/м? Рассчитать относительную магнитную проницаемость материала.

17. Магнитный поток в магнитопроводе равен Вб. Определить сечение магнитопровода, выполненного из материалов, кривые намагничивания которых приведены на рис., при напряженности магнитного поля 2000 А/м.

18. Однофазный трансформатор подключен к сети переменного напряжения 220 В. Ко вторичной обмотке подключена нагрузка, рассчитанная на 50 В. Ток в первичной обмотке равен А. Считая трансформатор идеализированным определить ток нагрузки .

19. Напряжение первичной обмотки трансформатора В. В режиме холостого хода напряжение на вторичной обмотке В. Определить число витков первичной обмотки, если число витков вторичной обмотки 40.

20. Мощность потерь в меди однофазного трансформатора при номинальном токе первичной обмотки А равна 100 Вт. Определить мощность потерь в меди при нагруженном трансформаторе, если А.

21. По результатам какого опыта определяют потери в магнитопроводе трансформатора?

Варианты ответов: а) нагрузочный;

б) короткое замыкание;

в) холостой ход.

ЛИТЕРАТУРА

1. Касаткин А.С. Электротехника: Учеб для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. –М.:Высш.шк., 2003. – 542 с.

2. Касаткин А.С. Электротехника: Учеб для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. –М.:Высш.шк., 2003. – 639 с.

3. Касаткин А.С. Электротехника: Учеб для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. –М.:Высш.шк., 1983. – 440 с.

4. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники –М.:Academia, 2004 – 560c.

5. Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники – М.: Высш.шк., 2000. -752 с.

6. Новиков Ю.Н. Электротехника и электроника: Теория цепей и сигналов, метод анализа –Спб.:Питер, 2005. – 382 с.

7. Электротехника и электроника: Учеб. Пособие для вузов /В.В. Кононенко, В.И. Мишкович, В.В. Муханов и др. – Ростов н/Д.:Феникс, 2004 – 747 с.

8. Кузнецов Н.Е., Бахарев Н.П., Драгунова Е.А. Автоматизированный электропривод: Учеб. Пособие – Тольятти: ТолПИ, 2000 – 154 с.

Поиск по сайту: