Трансформатор

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра радиофизики

Практикум по радиоэлектронике

Трансформатор

Методические указания к лабораторной работе № 12

Новосибирск

2009

Лабораторная работа входит в состав практикума по радиоэлектронике для студентов 2 курса физического факультета НГУ и посвящена изучению свойств силового трансформатора сетевой частоты. В данном методическом пособии излагаются принципы работы трансформатора, приво-дятся соотношения, полезные при проектировании, показывается возможность его использования для передачи импульсных сигналов, дается понятие о влиянии обмотки размагничивания.

В ходе выполнения лабораторной работы студент должен изучить принципиальную схему, собрать установку, провести нужные измерения и расчеты.

Составитель

Рецензент

Ответственная за выпуск

Издание подготовлено в рамках выполнения инновационно-образовательной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классического университета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование».

Ó Новосибирский государственный
университет, 2009

1. Введение

Трансформатор представляет собой статическое (т. е. не имеющее подвижных частей) устройство, служащее для преобразования числового значения переменного во времени напряжения, а также для электрического разделения цепей и преобразования числовых значений сопротивлений. Передача энергии из одной цепи в другую производится трансформатором благодаря явлению взаимоиндукции.[2, стр.122]

Если от источника энергии (сигнала) задается синусоидальное напряжение (ток) то используется трансформатор переменного напряжения (тока). Если трансформатор необходим для передачи однополярных импульсов напряжения (тока), то используется импульсный трансформатор. В обоих случаях используется также свойство гальванического разделения электрических цепей входа и выхода.

В электротехнике наибольшее распространение получили трансформаторы в системах передачи электроэнергии от электростанций через линии электропередачи к предприятиям. В местах распределения энергии между потребителями устанавливаются силовые понижающие трансформаторы, которые подают большинству потребителей напряжение ~380 / 220 вольт. Все это силовые трансформаторы сетевой частоты (по принятому в РФ стандарту частота равна 50 Гц), трех - и однофазные. Такие же силовые трансформаторы применяются в различных устройствах (сварочные, нагревательные, согласующие для различных устройств питания). В последние 10–15 лет большое распространение получили силовые трансформаторы на повышенные частоты в связи с бурным развитием силовой электроники и использованием частотных преобразователей. В настоящее время используются силовые трансформаторы на частоты в десятки килогерц. На некоторые нагрузки для нормальной работы требуется подать последовательность импульсов напряжения (тока) заданной амплитуды и длительности. Одним из способов обеспечить такой импульс может быть использование импульсного трансформатора. Для измерений переменных или импульсных сигналов может использоваться измерительный трансформатор тока или напряжения и т. д.

Приведена далеко не полная классификация трансформаторов по назначению, а еще они значительно различаются по мощностям, по напряжению, по форме и материалу магнитопроводов и т. д. Однако несмотря на большое разнообразие типов трансформаторов, принцип действия и физические процессы в них одни и те же, и описание этих процессов опирается на законы взаимоиндукции, полного тока и свойства материалов. Конкретные же изделия различаются только конструктивными особенностями, которые выбираются и оптимизируются в соответствии с назначением трансформатора.

2. Магнитные материалы

Большое значение для оптимального выбора конструкции трансформатора имеет правильный выбор материала магнитопровода. Для трансформаторов обычно используют материалы с высокой относительной магнитной проницаемостью µ.

По величине относительной магнитной проницаемости µ материалы могут быть разделены на три основные группы:

·  парамагнитные материалы с магнитной проницаемостью µ, незначительно превышающей единицу; например, платина (µ » 1,0003), алюминий (µ » 1,00002), некоторые марки нержавеющей стали;

·  диамагнитные материалы с µ < 1; это серебро, медь, висмут и др.; однако отличие µ от единицы, как и у парамагнитных, невелико, например у висмута µ » 0,99984, и за исключением особых случаев для этих материалов, как и для парамагнитных, можно принимать µ = 1;

·  ферромагнитные материалы с магнитной проницаемостью µ >> 1; это железо, никель, кобальт, гадолиний, ряд сплавов на их основе, ферриты.

При нагреве выше определенной температуры ферромагнетики становятся парамагнетиками. Эта температура зависит от вида материала и называется его точкой Кюри.

Рис. 1

Для ферромагнетиков значение относительной магнитной проницаемости µ зависит от величины магнитной индукции B. Обычно эта зависимость характеризуется кривой намагничивания материала B = f (H) (рис. 1). Для полностью размагниченного материала (B = 0, H = 0), рост индукции B с ростом напряженности H идет по кривой 1 вплоть до значения B = Bmax, после чего увеличение H уже не дает значительного увеличения B. Это значение индукции Bmax называется индукцией насыщения материала. Кривая 1 – основная, начальная кривая намагничивания материала.

Если в некоторой точке кривой 1 (например при H = H1 и B = B1) начать уменьшать напряженность магнитного поля H, то индукция B будет снижаться не по кривой 1, а по кривой 2, по которой, снижая напряженность до H = –H1 можно дойти до значения индукции B = –B1. Если в этот момент начать снова увеличивать напряженность H, индукция B, увеличиваясь по кривой 3, при H = H1 снова достигнет величины B1. Замкнутая кривая 2–3 представляет собой частный цикл намагничивания материала и иллюстрирует присущее ферромагнетикам явление магнитного гистерезиса. Площадь внутри этой кривой равна энергии, которую необходимо затратить на осуществление полного цикла перемагничивания материала при B = ± B1. В материале эта энергия выделяется в виде тепла. Различные материалы характеризуются удельными потерями на перемагничивание, которые показывают какая мощность выделяется в одном килограмме (или в единице объема) материала при заданном режиме работы (при известном значении Δ B и рабочей частоте). Иногда этот параметр включает в себя также и потери на вихревые токи. В справочниках приводят значения потерь на частоте 50 Гц, но могут быть даны значения для других частот. Для конкретных условий надо пересчитывать удельные потери для своего режима [6, С. 88].

Если размагничивание материала начинать не от B = B1, а от B = Bmax, (доводя, соответственно, до B = –Bmax, то получим предельный цикл намагничивания материала (кривые 4–5). Его характерные точки – остаточная индукция ± Br (магнитная индукция в материале при H = 0) и коэрцитивная сила ± Hс (то есть напряженность магнитного поля, которую необходимо создать для уменьшения магнитной индукции в материале до нуля). Легко видеть, что аналогичные точки существуют и на каждом частном цикле намагничивания, однако, в качестве характеристик магнитных материалов используются лишь остаточная индукция Br, максимальная индукция насыщения Bmax и коэрцитивная сила Hс, соответствующие предельному циклу намагничивания.

Коэрцитивная сила и форма петли гистерезиса характеризуют свойство материала сохранять остаточную намагниченность и определяют области применения ферромагнетиков.

Материалы с широкой петлей гистерезиса и, соответственно, с большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией называются магнитотвердыми или магнитожесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. К этой группе относятся различные материалы на основе железа, вольфрама, алюминия, редкоземельных элементов (например, самарий, празеодим). Коэрцитивная сила магнитотвердых материалов составляет Hс = 103 … 104 А/м, а остаточная индукция Br = 0,8 … 1,5 Тл. [8]

Материалы, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса и малой коэрцитивной силой, – магнитомягкие. Это железо, малоуглеродистые стали, электротехнические стали, сплавы, ферриты и т. д. [6]. Область применения магнитомягких материалов – самые различные электромагнитные устройства, от поворотных магнитов ускорителей до трансформаторов и иных устройств, где по условиям работы происходит перемагничивание в переменных полях.

В последнее время в радиоэлектронной технике получили распространение аморфные магнитомягкие сплавы. Аморфные сплавы качественно отличаются от традиционных благодаря отсутствию кристаллической
решетки. По сравнению с кристаллическими сплавами они обладают
лучшими магнитными свойствами. Аморфные магнитомягкие сплавы в виде ленты характеризуются высокими значениями проницаемости (µнач - до 8000, (µmax до 30000), низкой коэрцитивной силой (Hc менее 1 А/м), высоким удельным сопротивлением (r = (1 … 1,5)∙10–6 Ом∙м), малыми потерями мощности на гистерезис и вихревые токи. Во многих случаях при работе трансформатора на повышенной частоте бывает целесообразно использовать магнитопровод на основе аморфного сплава.

Таблица

Примеры характеристик разных материалов

Марка	Bmax, Тл	r, мкОм∙м	Hc, А/м	Источник
	сталь Э3408	1,74	0,5	24…26	[3], стр.41
	сталь Э3425	1,5	0,5	32	[3], стр.41
	феррит 2000НМ	0,38 при H = 800 A/м	0,5∙106	24	[6], стр.12
	аморфный сплав ГМ 40ДС	0,85 при H = 300 A/м	1,3	11	http://*****/ russian/gm40ds-2.htm

3. Взаимная индуктивность

Рассмотрим систему двух катушек с токами, когда магнитный поток, созданный током i1, протекающим в катушке L1, полностью или частично пронизывает витки катушки L2, а поток, созданный током, протекающим по катушке L2, полностью или частично пронизывает витки катушки L1 Такие катушки называют индуктивно - или магнитосвязанными (рис. 2).

Рис. 2

Обозначим потокосцепление второй катушки, имеющей w2 витков, за счет пронизывающего вторую катушку потока Ф12, созданного током i1 в первой катушке, через Ψ12 = w2∙Ф12 и потокосцепление первой катушки, имеющей w1 витков, за счет пронизывающего первую катушку потока Ф21, созданного током i2 во второй катушке, через Ψ21 = w1∙Ф21

Отношения Ψ21 / i2 и Ψ12 / i1, как показывают опыт и расчет, одинаковы [1; 4], т. е. Ψ12 / i1 = Ψ21 / i2 = M и называются взаимной индуктивностью катушек 1 и 2 и измеряются в генри (Гн).

Часть Ф1S полного потока, созданного током i1, замыкается вне витков катушки 2, аналогично, часть Ф2S полного потока, созданного током i2, замыкается вне витков катушки 1. Эти потоки Ф1S и Ф2S назы­ва­ют­ся потоками рассеяния соответст­ву­ющих катушек. Полное потокосцепление первой катушки Ψ11 = L1 ∙ i1. Полное пото­ко­сцепление второй катушки Ψ22 = L2 ∙ i2.

Найдем теперь отношения потока Ф12 к полному потоку Ф11, созданному током i1.

.

Таким же путем найдем отношение

.

Каждое из отношений указывает, какая доля потока, созданного током в одной катушке, пронизывает соседнюю катушку. Среднее геометрическое этих отношений называется коэффициентом связи катушек или контуров.

.

Коэффициент связи характеризует степень индуктивной связи контуров или катушек и всегда меньше единицы. Для усиления связи и уменьшения сопротивления магнитному потоку катушки наматывают на общий магнитопровод из ферромагнитного материала (электротехническая сталь, феррит, аморфное железо). В предельном случае сильной связи, когда нет потока рассеивания, т. е. Ф12 = Ф11, Ф21 = Ф22, то коэффициент связи K = 1.

Рис. 3

Если индуктивности L1 и L2 по определению всегда положительны, то взаимная индуктивность М может быть больше или меньше нуля, в зависимости от взаимной направленности магнитных потоков самоиндукции и взаимной индукции. Если полное потокосцепление контура 2 увеличивается под влиянием тока в контуре 1, то величина М больше нуля и говорят, что катушки включены согласно; если полное потокосцепление контура 2 уменьшается под влиянием тока в контуре 1, то величина М меньше нуля и говорят, что катушки включены встречно. Согласное или встречное включение катушек на схемах отображается специальными значками, например, точки у соответствующих выводов. Если протекающий в обоих катушках ток входит в выводы помеченные знаком, то катушки соединены согласно; если в одной катушке ток входит в вывод, помеченный знаком, а в другой катушке входит через вывод не помеченный знаком, то катушки соединены встречно.

Наличие индуктивных связей в цепи переменного тока приводит к появлению дополнительных ЭДС взаимной индукции, которые должны быть учтены при составлении уравнений по второму закону Кирхгофа. При последовательном соединении двух магнитосвязанных катушек (рис. 3) напряжение на зажимах всей этой ветви

u = (r1+r2) × i + (L1+L2+2 × M) × di/dt.

Причем надо учитывать, что знак М может быть + или - (на рис. 3 показан случай встречного включения, то есть, M < 0).

Индуктивные связи часто создают умышлено для получения нужных свойств цепи. Например, очень удобно регулировать собственную индуктивность контура, плавно изменяя взаимную индуктивность М между двумя подвижными катушками. Наиболее важные свойства индуктивно связанных цепей проявляются в устройстве и применении трансформаторов. Трансформатор в простейшем случае представляет собой два индуктивно связанных контура при сильной связи между ними. Для усиления связи на относительно низких частотах контуры выполняются обычно в виде обмоток, надетых на общий ферромагнитный сердечник (рис. 4).

Рис. 4

На высоких частотах применяют и воздушные трансформаторы, т. е. не содержащие ферромагнитных сердечников. Элек­тро­тех­ническое назначение тако­го устройства заключается, во-первых, в возможности трансформации напряжения: при сильной связи между обмотками почти одинаковый поток Ф12 пронизывает каждый из витков, поэтому эдс, индуцируемые в обмотках, пропорциональны числам витков; во-вторых, в возможности изолировать в электрическом отношении одну цепь от другой (гальваническая развязка), сохраняя возможность передачи энергии и сигнала. Обмотка трансформатора, подключенная к источнику энергии или сигнала, называется первичной обмоткой и обозначается w1. Остальные обмотки называются вторичными обмотками и обозначаются w2, w3 и так далее, где символы w1, w2, w3 обозначают, кроме того, число витков соответствующих обмоток.

Рассмотрим трансформатор с двумя обмотками w1 и w2. Сопротивления проводов, которыми намотаны обмотки трансформатора, обозначим r1 и r2; вторичная обмотка замкнута на нагрузку, которая в общем случае представляет собой комплексное сопротивление Zн. Тогда, при заданной полярности выводов обмоток трансформатора на рис. 4 токи направлены встречно. Уравнения трансформатора при встречном направлении токов имеют вид:

u1 = r1 × i1+L1 × di1 / dt -M × di2/dt,  (1a)

–u2 = r2 × i2+L2 × di2 / dt -M × di1/dt, (1b)

Если напряжения и токи синусоидальны, то уравнения трансформатора в комплексной форме запишутся в виде:

(2)

Эти уравнения, кроме того, являются уравнениями, описывающими схему, изображенную на рис. 5.

Рис. 5

Следовательно, эта схема может рассматриваться в качестве схемы замещения трансформатора. Входящие в схему разности L1–M и L2–M имеют физический смысл при w1 = w2: они представляют собой индуктивности рассеяния LS1 и LS2, связанные с соответствующими потоками рассеяния Ф1S и Ф2S, которые отражают неидеальность индуктивной связи между катушками. (Разница между полным потоком, обусловленным током i1, и той его частью, которая пронизывает витки второй катушки, называется потоком рассеяния Ф1S = L1 × i1/w1. Аналогично для второй катушки Ф2S = L2 × i2/w2). Из схемы замещения LS1 = L1-M и LS2 = L2-M. При неодинаковых числах витков w1 и w2 на практике пользуются так называемой приведенной схемой замещения трансформатора, показанной на рис. 6. Приведение заключается в том, что напряжение и ток заменяются величинами, приведенными к первичной обмотке: напряжение умножается на n, а ток делится на n. Здесь n = w1 / w2 – отношение чисел витков, которое называется коэффициентом трансформации.

Придав уравнениям (2) следующий вид:

(3)

можно преобразовать их таким образом:

(4)

Здесь n = w1 / w2; LS1=L1–M ∙ n; LS2=L2–M / n

Рис. 6

Полученные уравнения являются контурными уравнениями для схемы на рис. 6 и, следовательно, эта схема является схемой замещения трансформатора. Эта схема содержит: сопротивление r1 и индуктивность рассеяния LS1 первичной обмотки трансформатора; индуктивность намагничивания Lµ = M × n в поперечной ветви (эта ветвь называется ветвью намагничивания); сопротивление r2 и индуктивность рассеяния LS2 вторичной обмотки, приведенные к первичной обмотке трансформатора. Индуктивные сопротивления LS1 × w и LS2 × w представляют собой сопротивления рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора, а индуктивное сопротивление n × w × M - сопротивление ветви намагничивания.

4. Магнитное поле в магнитопроводе

На основе схемы рис. 6 можно записать уравнения (1) в форме

u1 = r1∙i1+LS1∙(di1/dt)+w1∙(dФ12/dt); (5a)

–u2 = r2∙i2+LS2∙(di2/dt)+w2∙(dФ12/dt). (5b)

Правильно спроектированные трансформаторы обычно имеют малые значения сопротивлений обмоток и индуктивности рассеивания, поэтому можно считать приближенно, что приложенное к первичной обмотке трансформатора напряжение уравновешивается индуцируемой в обмотке ЭДС, и поэтому

u1 » w1 ∙ (dФ12/dt) = w1 ∙ S ∙ (dB/dt), (6)

где S – площадь сечения магнитопровода, охваченного витками обмотки, B – индукция в магнитопроводе. Интегрируя это равенство, получим

,

где B(0) – некоторое начальное значение индукции в магнитной системе, соответствующее моменту времени t = 0.

При практических расчетах обычно интересуются не абсолютным значением индукции в магнитопроводе, а ее приращением во времени. Поэтому это выражение удобно переписать в виде

. (7)

Для импульсного напряжения произвольной формы интеграл берется по длительности импульса, причем принимается, что интервал следования импульсов достаточно велик, чтобы закончились все переходные процессы и трансформатор успел вернуться в исходное состояние.

Для одиночного прямоугольного импульса тогда получится

, (8)

где Um – это амплитуда напряжения одиночного импульса, t - длительность импульса. То есть, если к обмотке трансформатора приложен импульс напряжения, то магнитная индукция в магнитопроводе изменится на величину ΔB с учетом знака приложенного напряжения. Так как для неискаженной передачи импульса трансформатором важно именно ΔB, то если перед прохождением основного импульса принудительно сместить начальную точку состояния магнитопровода по петле гистерезиса в положение –Bmax (рис. 1), то мы выиграем по величине допустимого по свойствам материала ΔBдоп = 2 ∙ Bmax, а это, в свою очередь, позволяет сэкономить на размерах и массе трансформатора.

Для синусоидального напряжения выполняется соотношение

, (9)

где – это комплекс действующего значения напряжения, приложенного к первичной обмотке, f – это частота напряжения, – комплекс амплитуды магнитной индукции.

Уравнение (6) справедливо как при холостом ходе (i2 = 0), так и при наличии нагрузки, т. е. при переходе от холостого хода к режиму работы при нагрузке поток Ф12 практически остается неизменным по модулю. Но если в этих двух режимах поток Ф12 один и тот же, то должны быть равны и создающие этот поток магнитодвижущие силы (МДС), т. е. i1 × w1+i2 × w2 = i0 ∙ w1, где i0 – это ток первичной обмотки в отсутствии нагрузки.

МДС, определяющая общий магнитный поток, который пронизывает первичную и вторичную обмотки, при встречном направлении токов равна i1 × w1-i2 × w2 = (i1-i2/n) × w1 = i0∙w1.

Ток i1 – i2/n и соответствующий ему комплексный ток , который в схеме замещения трансформатора, приведенной к первичной обмотке, проходит через ветвь намагничивания, принято называть намагничивающим током трансформатора. Для идеального трансформатора ток намагничивания равен нулю, индуктивности рассеяния и активные сопротивления обмоток равны нулю, u1 / u2 = i2 / i1 = n. Для реального трансформатора ток намагничивания отличается от нуля и ток, который будет потреблять трансформатор от источника энергии, складывается из тока в нагрузку Iн и тока намагничивания. Но правильно спроектированный трансформатор имеет ток намагничивания на уровне нескольких процентов от номинального тока и поэтому им можно пренебречь и на практике использовать соотношения u1/u2 = i2 / i1 = n. Связь между напряженностью магнитного поля в магнитной системе и намагничивающим током определяется законом полного тока. Для трансформатора приближенно ток намагничивания i1 » H∙l/w1, индукция в магнитопроводе B = µ ∙ µ0 ∙ H. Из этих соотношений и закона электромагнитной индукции вытекает выражение для индуктивности намагничивания , где l – это длина силовой линии магнитопровода. Здесь приведено значение индуктивности относительно первичной обмотки

Собственные сопротивления обмоток r1 и r2, индуктивности рассеяния LS1 и LS2 определяют собственное комплексное сопротивление трансфор­ма­тора. Это сопротивление для заданного входного напряжения на первичной обмотке ограничивает ток, который можно передать в нагрузку через этот трансформатор на заданной частоте w. Из эквивалентной схемы замещения видно, что это сопротивление равно

r1 + n2 ∙ r2 + j ∙ ω ∙ (LS1 + n2 ∙ LS2).

Для внешней цепи (относительно зажимов первичной обмотки) трансформатор вместе с нагрузкой будет представлять собой комплексное сопротивление

Z1 = r1+n2 ∙ r2 + j ∙ ω(LS1+n2 ∙ LS2) + n2 ∙ ZН = (r1 + j ∙ ω ∙ LS1)+

+n2 ∙ (r2 + j ∙ ω ∙ LS2 + ZН),

где выделенное слагаемое представляет собой сопротивление, которое трансформатор «вносит» из вторичной цепи в первичную и называется вносимым сопротивлением. Можно отметить, что при достаточно малых значениях r1, r2, LS1, LS2, входное сопротивление трансформатора будет Z1 = n2 ∙ ZН. Таким образом, трансформатор также работает как трансформатор сопротивления, что часто используется для согласования нагрузок.

5. Потери в трансформаторе

Потери в трансформаторе складываются из потерь в обмотках на джоулево тепло и потерь в магнитопроводе на перемагничивание и вихревые токи. Умножим первое уравнение (1) на множитель i1, а второе на i2., результаты сложим

u1∙i1 = r1 ∙ i12 + r2 ∙ i22 + u2 ∙ i2 + L1 ∙ i1 ∙ (di1 / dt) + L2 ∙ i2 ∙ (di2 / dt) –

– M ∙ i1 ∙ (di2 / dt) – M ∙ i2 ∙ (di1 / dt)

или

,

где p1 – мощность, подаваемая на вход трансформатора, p2 – мощность, отдаваемая в нагрузку, – энергия магнитного поля, запасаемая в любой момент времени в трансформаторе. Трансформатор, в котором r1 = r2 = 0, LS1 = LS2 = 0, называют идеальным. Для него L1 = L2 ∙ n2, i1 = i2 / n, . Подставив эти значения в выражение для WM, получим WM = 0. Таким образом, в идеальном трансформаторе энергия магнитного поля в любой момент времени равна нулю. Мгновенная мощность p1 = p2. Потери равны нулю. В неидеальном трансформаторе мгновенная мощность не только передается нагрузке, но также частично теряется на сопротивлениях первичной и вторичной обмоток и идет на изменение энергии магнитного поля WM. Часть энергии магнитного поля безвозвратно теряется на перемагничивании магнитопровода (потери на гистерезис) и на потери за счет вихревых токов. Эта мощность выделяется в магнитопроводе в виде тепловой мощности, которая греет трансформатор и ее надо отводить. При проектировании трансформатора необходимо учитывать свойства материала магнитопровода, которые имеют разные удельные (на килограмм массы или объем магнитопровода) потери, а также повышение потерь на сопротивлении обмоток за счет увеличения эффективных сопротивлений обмоток из-за скин-эффекта [3; 6]. Для учета мощности потерь в магнитопроводе параллельно индуктивности намагничения n ∙ M подключается сопротивление потерь в магнитопроводе рис.7.

Рис. 7

Эта схема является основной для анализа работы схем с применением трансформатора на низких и средних частотах, то есть тогда, когда можно пренебречь влиянием паразитных емкостей (емкости межвитковые в обмотках, емкости между обмотками и между обмотками и элементами конструкции).

6. Практическая часть

Оборудование. Осциллограф, генератор, мультиметр с возможностью измерения индуктивности, источник питания постоянного тока регулируемый от 0 до 30 Вольт, лабораторный автотрансформатор (ЛАТР); сетевой понижающий трансформатор на 36 В; трансформатор исследуемый.

Материалы и комплектующие.

Резисторы: МЛТ-1-10 Ом; МЛТ-2-510 ; C Ом. Все номиналы можно варьировать ± 20 %: Эти значения приняты только для удобства расчетов

Задание 1. Возьмите испытуемый трансформатор (трансформатор Т2 в схеме на рис. 8). Измерьте активные сопротивления обмоток трансформатора.

Задание 2. Определите число витков трансформатора. Для этого намотайте известное число витков на магнитопровод, например wx = 15. (Для ускорения работы эта дополнительная обмотка уже намотана поверх основной катушки). Затем:

2.1. Метод первый

2.1.1 Мультиметром измерьте индуктивности L1, L2, Lx обмоток w1, w2, wx. (Прибор должен измерять индуктивность на частоте 50÷100 Гц).

2.1.2. По формуле определите число витков w2. Затем, найдите w1.

2.2. Метод второй

2.2.1. Соберите схему по рис. 8, где Т1 – трансформатор, обеспечивающий относительно безопасное подключение к сети ~220 В и понижающий уровень напряжения (находится внутри лабораторного стола и наружу выведено только напряжение вторичной обмотки на розетки ~36 вольт для паяльников)., Т2 – исследуемый трансформатор (для простоты показана только одна вторичная обмотка). ЛАТР – лабораторный автотрансформатор, который обеспечивает возможность регулирования напряжения, подаваемого на вход Т2.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: НЕ ПОДКЛЮЧАЙТЕ ЛАТР К ОБМОТКЕ wx

2.2.2. Измерьте напряжения ux u2 и u3 при заданном значении u1 = ~30 В.

2.2.3. По измеренным напряжениям определите число витков w1, w2. Объясните расхождения оценки числа витков, измеренных двумя способами.

2.2.4. По результатам измерений в задании 2.1.1 оцените величину относительной магнитной проницаемости материала магнитопровода на частоте 50 Гц, m0=4×p×10-7 Гн/м.

2.2.5. Какой физический смысл несет фраза в задании 2.2.1 «трансформатор, обеспечивающий относительно безопасное подключение к сети».

Рис. 8

Задание 3. Соберите схему по рис. 8. Установите ЛАТР в положение «0». Подсоедините первичную обмотку трансформатора Т2 к выходу ЛАТРа, получив,
таким образом, возможность изменения амплитуды синусоидального напряжения от нуля до Umax = 50 Вольт. Нагру-
зок нет ни на одной обмотке (т. е. – холостой ход).

3.1. Придумайте, как измерить ток первичной обмотке.

3.2. Наблюдайте на осциллографе форму и амплитуду тока намагничивания первичной обмотки при изменении входного напряжения от нуля до Umax = 50 Вольт.

3.3. Зафиксируйте величину напряжения при котором ток намагничива­ния перестает быть близким к синусоидальному.

3.4. Объясните причину искажения формы тока.

3.5. Оцените амплитуду индукции магнитного поля в трансформаторе, при котором появляются эти искажения и определите возможность увеличения входного напряжения. (длина силовой линии магнитопровода = 0,22 м, площадь сечения магнитопровода = 3,7 см2 ).

Задание 4.

4.1. Измерьте индуктивность вторичной обмотки трансформатора при разомкнутой первичной обмотке мультиметром, затем замкните первичную обмотку и снова измерьте индуктивность вторичной обмотки. Измерения делайте на частотах, близких к сетевым.

4.2. Каким параметрам схемы рис. 7 соответствуют эти измерения. Дайте объяснения полученным результатам.

4.3. Определите значение комплексного сопротивления трансформатора относительно вторичной обмотки из результатов заданий 1, 4.

4.4. Оцените ток, который можно снимать с трансформатора с данной обмотки, если допустить десятипроцентную подсадку напряжения на нагрузке. (Подсадка напряжения – это разница между напряжением на вторичной обмотке без нагрузки и напряжением на обмотке с нагрузкой).

Задание 5.

Рис. 9

5.1. Соберите схему по рис. 9 без нагрузки R и r = 10 Ом. Затем от генератора импульсов ГИ (Г5-54) подайте однократный однополярный импульс длительностью 500 мкс, амплитудой 15 В. Со вторичной обмотки наблюдайте импульс u1. Зарисуйте его. Посмотрите, какие искажения формы импульса наблюдаются на нем. Сравните с импульсом на входе u2.

5.2. Объясните увиденное. [3, стр.52÷65]

5.3. Определите полярность импульсов на входе и выходе и «одноименные» выводы обмоток

5.4. На обмотку w1 подсоедините сопротивление R = 510 Ом и при этих условиях выполните задание по 5.1, 5.2. Как изменился ток в цепи обмотки w2?

Задание 6.

6.1. Подайте последовательность импульсов амплитудой 15 В, длительностью 500 мкс с периодом следования 600 мкс. Посмотрите, как будет меняться форма импульсов последовательности на выходе. Объяснить увиденное.

6.2. Определите какую длительность импульса трансформатор в схеме на рис. 9 передает без существенных искажений. Что ограничивает длительность импульса в схеме? (Вспомните формулу (8) и свойства ГИ).

Задание (дополнительное) 7. Обмотка размагничивания.

7.1. Соберите схему питания постоянным током дополнительной обмотки w3 по схеме на рис. 10 от источника питания E = (0¸30) Вольт через Rбал = 200 Ом

Рис. 10

7.2. Подайте последовательность импульсов амплитудой 15 В, длительностью 500 мкс с периодом следования 600 мкс на обмотку w2 через резистор r = 10 Ом, R = 510 Ом.

7.3. Наблюдайте импульс u1 на осциллографе. Подайте питание Е. Посмотрите изменение формы импульса при одной полярности Е и противоположной. Выберите правильную полярность Е, объясните влияние этой обмотки.

Литература

1.  Теоретические основы электротехники, ч. 1, М.: Энергия, 1978.

2.  Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа. 1996.

3.  Проектирование импульсных трансформаторов. Л.: Энер­го­атом­издат, 1991.

4. , Теоретическая электротехника. М.: Энергия, 1968.

5.  Расчет и проектирование экспериментальных установок. М.: 2006.

6. , , Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и Связь, 1991.

7. , , Муслаков В. П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1983.

8.  Теоретические основы электротехники. Курс лекций, СПб.: КОРОНА принт, 2000.

Оглавление

1. Введение. 3

2. Магнитные материалы.. 4

3. Взаимная индуктивность. 6

4. Магнитное поле в магнитопроводе. 11

5. Потери в трансформаторе. 14

6. Практическая часть. 15

Литература. 18

Оглавление. 19

Учебное издание

Практикум по радиоэлектронике

Трансформатор

Методические указания к лабораторной работе № 12

Учебное пособие

Редактор

Подписано в печать 24.11.2009

Формат 60´84 1/16. Офсетная печать.

Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 60 экз.

Заказ №  

Редакционно-издательский центр НГУ

Новосибирск-90, ул. Пирогова, 2.